Design-in-Unterstützung für SiC-MOSFETs

Entwicklungskit für Totem-Pole-PFC-Anwendungen

20. Oktober 2022, 16:30 Uhr | Von Abdelmouneim Charkaoui, Christian Felgemacher, Jochen Hüskens und Felipe Filsecker, alle bei Rohm Semiconductor
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Rohms SiC-MOSFETs der 4. Generation bieten bis zu 50 Prozent geringere Schaltverluste und einen um 40 Prozent reduzierten Durchlasswiderstand, ohne die Kurzschlussfestigkeit zu beeinträchtigen. Ein Evaluierungskit demonstriert die hohe Leistungsfähigkeit in einer modernen Totem-Pole-PFC-Schaltung.

Gegenüber herkömmlichen Boost-PFC-Schaltungen besteht der Hauptvorteil der Totem-Pole-PFC-Topologie (TP-PFC) darin, dass sie die Niederfrequenz-Gleichrichtung und den mit dem Durchlassverlust eines 50-Hz-Gleichrichters verbundenen Leistungsverlust eliminiert. Auf diese Weise können Wirkungsgrade von über 98 Prozent erreicht werden. Bei Verwendung einer geeigneten Sekundärstufe mit ähnlichem Wirkungsgrad lässt sich sogar der angestrebte Wirkungsgrad von »80 Plus Titanium« erreichen.

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Bild 1: Schaltdiagramm der Totem-Pole-PFC
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Neue Technologien bringen auch neue Herausforderungen mit sich, wenn es darum geht, diese optimal auszunutzen. Aus diesem Grund bietet Rohm entsprechende Evaluierungskits (EVKs). Das hier beschriebene EVK implementiert den TP-PFC mit einem Nenneingangsstrom von 16 A sowie den Designspezifikationen aus der Tabelle 1. Zusätzlich zu den SiC-MOSFETs der 4. Generation enthält das Design Si-SJ-MOSFETs des Unternehmens sowie die Gate-Treiber BM61S41/BM61M41 und andere Komponenten von Rohm, wie einen Shunt-Widerstand und einen Flyback-Schaltregler-IC für die Hilfsstromversorgung (Bild 1).

Parameter Spezifikation
Eingangsspannung 85 – 265 V (50 Hz ±3 Hz oder 60 Hz ±3 Hz)
Ausgangsleistung bei 230 V 3,6 kW
Schaltfrequenz 100 kHz
Wirkungsgrad
bei 50 % Last und 230 V
≥ 98,5 %
Kühlung Gebläse, kleiner Lüfter
Topologie Totem Pole
HF Schalter (Q2, Q4) SCT4045DR (TO-247-4L)
LF Schalter (Q1, Q3) R6076ENZ4
Flyback-Schaltregler BM2P101FK-LBZ
Abmessungen 233 mm × 89 mm × ca. 40/45 mm

Tabelle 1: Spezifikationen des TP-PFC Evaluation Kit

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Bild 2: Gemessener Wirkungsgrad (links) und Leistungsfaktor (rechts) des Evaluation Kits
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In Bild 2 wird die Leistungsfähigkeit des EVK veranschaulicht. Sie zeigen den gemessenen Wirkungsgrad und den erreichten Eingangsleistungsfaktor – sowohl bei einer Wechselspannung von 230 V als auch bei 115 V. Zum Wirkungsgrad ist anzumerken, dass dieser die gesamte Leistungsaufnahme der Hilfsstromversorgungen für die Gate-Treiber, die Mess- und Regelungselektronik und den Lüfter umfasst. Es ist zu erkennen, dass der erforderliche Leistungsfaktor von über 0,95 bei 20 Prozent Last erreicht wird. Wird die PFC-Schaltung mit einer DC/DC-Stufe mit entsprechend hohem Wirkungsgrad kombiniert, kann das Design auch die Effizienzanforderungen von 80 Plus Titanium erfüllen.

In den folgenden Abschnitten wird erörtert, wie dieses Design entwickelt und bestimmte schwierige Aspekte dieser Topologie bewältigt wurden. Zu diesen Herausforderungen gehören das Ermitteln der richtigen Einstellungen für die Länge von Sperrzeiten und Totzeit, sicheres automatisches Hochfahren mit der Netzeingangsspannung und Soft Start rund um den AC-Nulldurchgang zur Minimierung von Stromspitzen.

Einstellung von Sperr- und Totzeit

Bei der Einstellung der PWM-Steuerung müssen die mit der AC-Nulldurchgangserkennung verbundenen Ungenauigkeiten sowie die parasitären Elemente der MOSFETs berücksichtigt werden. Im TP-PFC-EVK wurde um den AC-Nulldurchgang eine Sperrzeit von 50 µs eingefügt. Um ein unerwünschtes Verhalten zu vermeiden, werden alle vier Schalter kurz vor jedem Nulldurchgang der Netzspannung ausgeschaltet und erst nach einer definierten Zeit nach Polaritätswechsel der Netzspannung wieder freigegeben. Diese Zeit ist hier als Sperrzeit benannt. Während dieser Zeit wird der Regelkreis eingefroren. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Integrator-Aufbau eine unerwünscht hohe Stromspitze verursacht, indem er beim nächsten Einschalten einen großen PWM-Impuls anlegt. Eine kurze Sperrzeit ermöglicht eine bessere Kontrollierbarkeit der Stromkurve, einen geringeren Klirrfaktor und einen höheren Wirkungsgrad. Die minimale Sperrzeit wird jedoch durch die Abtastrate des Reglers und die Netzfrequenz begrenzt.

Zusätzlich zur Sperrzeit um den AC-Nulldurchgang muss eine geeignete Totzeit zwischen den Steuerbefehlen der komplementären SiC-MOSFETs eingestellt werden. Laut Datenblatt des Gate-Treibers BM61S41 beträgt die Laufzeitverzögerung maximal 65 ns. Addiert man weitere 10 ns für die PWM-Ausbreitungsfehlanpassung hinzu, ergibt sich eine absolute Mindesttotzeit von 75 ns. Um die Aus- und Einschaltverzögerungen der SiC-MOSFETs zu berücksichtigen und einen gewissen Spielraum zu haben, wurde die Totzeit für diese Baugruppe auf 150 ns festgelegt. Natürlich muss sie für jedes Design bewertet werden. Sie wird auch durch die Auswahl der Ein- und Ausschalt-Gate-Widerstände beeinflusst.

Automatischer Start an einem universellen Netzeingang

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Bild 3: Verlauf der Ausgangsspannung bei automatischem Start der PFC-Stufe in Abhängigkeit von der Spannung am Eingang: 110 V AC bzw. 200 V DC (oben), 230 V AC bzw. 400 V DC (unten)
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Das TP-PFC-EVK ist mit einem PTC-Thermistor für die Vorladung in Kombination mit einem Bypass-Relais ausgestattet. Beim Einschalten werden das Relais ausgeschaltet und die Kondensatoren durch den PTC-Thermistor bis zu einem sicheren Schwellenwert vorgeladen, bevor das Relais eingeschaltet und der Umrichter in Betrieb genommen wird. Dadurch wird eine Beschädigung des Stromkreises durch hohe Einschaltströme verhindert. Das EVK wurde über den gesamten AC-Eingangsbereich (85 V bis 265 V) getestet und hat sich für einen automatischen Start selbst bei 265 V als geeignet erwiesen (Bild 3). Dank des implementierten Second Order Generalized Integrator - Frequency Locked Loop (SOGI-FLL) kann dieses EVK auch Drifts in der Netzfrequenz von 50 Hz ±3 Hz oder 60 Hz ±3 Hz verfolgen und erkennen.

Stromspitzen nach AC-Nulldurchgang minimieren

Bei der TP-PFC-Topologie ist die Schaltfolge der MOSFETs von entscheidender Bedeutung. Werden die Herausforderungen bei der Steuerung eines TP-PFC nicht verstanden und beachtet, kann dies zu unsachgemäßem Betrieb, unerwarteten EMI-Problemen oder sogar zum Ausfall der Leistungskomponenten führen. Bei dieser Topologie besteht das häufigste Problem im Auftreten von Stromspitzen im AC-Nulldurchgang. Diese werden hauptsächlich durch den parasitären Ausgangskondensator COSS und die damit verbundene Sperrverzögerungsladung Qrr der netzfrequenzgeschalteten MOSFETs verursacht, die nur beim AC-Nulldurchgang ihren Zustand ändern.

Im TP-PFC-EVK von Rohm wird nach jedem AC-Nulldurchgang eine Soft-Start-Sequenz implementiert. Diese beinhaltet eine rampenförmige Erhöhung des Tastverhältnisses der Hochfrequenz-SiC-MOSFETs (Q2, Q4) und eine Feinsteuerung für das Einschalten der Niederfrequenz-Si-SJ-MOSFETs. Durch die Implementierung des Soft-Starts wurden die Stromspitzen deutlich reduziert.

Die MOSFETs Q2 und Q4 sind komplementär geschaltet. Während des negativen Halbzyklus ist MOSFET Q2 der aktive Schalter, der durch das berechnete Tastverhältnis D gesteuert wird. Während dieser Zeit arbeitet MOSFET Q4 im synchronen Gleichrichtungsmodus mit einem Tastverhältnis von 1–D. Zu beachten ist, dass MOSFET Q1 nur mit der Netzfrequenz geschaltet wird und während des gesamten negativen Halbzyklus eingeschaltet bleibt, um einen niederohmigen Rückkanal zum Netz zu schaffen. Während des positiven Halbzyklus kehrt sich der Betrieb wieder um, und die High-Side- und Low-Side-MOSFETs der einzelnen Zweige tauschen ihre Funktion aus.

Wenn die Eingangsspannung unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Wechselstroms ihre Polarität von einem negativen zu einem positiven Halbzyklus ändert, setzt die Soft-Start-Sequenz von MOSFET Q4 ein. Diese Sequenz besteht darin, dass die Impulsbreite um einen Faktor erhöht wird, sodass die Einschaltzeit dieses MOSFET schrittweise von 0 auf 100 Prozent des berechneten D-Zyklus steigt. Dabei erholt sich MOSFET Q1 vollständig in umgekehrter Richtung und VDS von Q3 sinkt auf Masse. Auf diese Weise wird die positive Stromspitze eliminiert, die durch die langsame Erholung von Q1 und die hohe VDS-Spannung am MOSFET Q3 verursacht wird.

Da die Wechselspannung direkt nach dem Nulldurchgang sehr niedrig und die Induktivität bereits auf die DC-Busspannung aufgeladen ist, fließt ein großer negativer Rückstrom durch die Induktivität zurück zum Netz. Dies führt zu einer hohen negativen Stromspitze beim Einschalten des Synchron-MOSFETs Q2, selbst bei einem Tastverhältnis von 1–D. Um diese negative Spitze auf nahezu Null zu reduzieren, wird der Soft-Start auch auf den Synchron-MOSFET Q2 angewandt, sobald Q4 den vollen D-Zyklus erreicht. Gleichzeitig mit dem Soft-Start von Q2 muss Q3 eingeschaltet werden, um den Strompfad zurück zum Netz bereitzustellen.

Eine hohe negative Stromspitze tritt auch beim AC-Nulldurchgang auf, wenn MOSFET Q3 zu spät eingeschaltet wird, nachdem der Soft-Start von Q2 abgeschlossen ist.

Ergebnisse des Experiments

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Bild 4: Eingangsstromspitzen beim AC-Nulldurchgang ohne (oben) und mit (unten) Soft-Start-Verfahren (magenta: I_AC, grün: V_AC)
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In Bild 4 ist der Verlauf des Eingangsstroms um den AC-Nulldurchgang mit und ohne Soft-Start dargestellt. Beim ersten Einschalten von Q2 ist der Term 1–D sehr klein. Er wird noch kleiner und tendiert gegen Null, wenn er mit den Soft-Start-Faktoren multipliziert wird. Je nach verwendetem Gate-Treiber kann Q2 einige PWM-Zyklen lang ausgeschaltet bleiben, bis der Term 1–D größer wird als die minimale PWM-Einschaltzeit des Gate-Treibers. Dies führt bei jedem AC-Nulldurchgang zu einer verbleibenden, aber sehr kleinen positiven und negativen Stromspitze.

Im 3,6-kW-TP-PFC-EVK von Rohm ist die im vorigen Abschnitt erläuterte Steuerungssequenz implementiert und getestet. Ohne diese Steuerungsmethode, das zeigen die Testergebnisse, wären sowohl negative als auch positive Stromspitzen vorhanden. Damit führt die Anwendung des Soft-Starts sowohl auf aktive als auch auf synchrone MOSFETs sowie das Einschalten der Niederfrequenz-MOSFETs zum richtigen Zeitpunkt zu besseren Stromkurven und einem wesentlich geringeren Klirrfaktor.

Zusammenfassung

Rohms TP-PFC EVK zeigt eine hohe Leistung in den wichtigsten Designaspekten, einschließlich der Regelungsfunktionen und eines hohen Wirkungsgrads, der 98,5 Prozent erreicht. Hierbei wird die gesamte Leistungsaufnahme der Hilfsnetzteile und des Kühlgebläses berücksichtigt. Sowohl der niedrige Durchlasswiderstand als auch die geringen Schaltverluste der SiC-MOSFETs der 4. Generation trugen zum Erreichen dieser Leistung bei.

Mit diesen Ergebnissen lässt sich belegen, wie gut sich diese neuen Produkte für viele Energiewandlungsanwendungen eignen, zum Beispiel Stromversorgungen für Server und Rechenzentren, Telekommunikation, industrielle Stromversorgungen (SMPS), Energiespeichersysteme sowie in Elektrofahrzeugen (etwa OBC), wo hohe Leistungsdichte, Effizienz, einfache Gate-Schaltung und Kurzschlussfestigkeit erforderlich sind.


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