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Hoher Wirkungsgrad, geringer Platzbedarf

Isolierte Stromversorgung in Hochspannungs-Anwendungen

27. September 2023, 9:00 Uhr | Noor Aizad, Technical Marketing Manager STMicroelectronics

Der Isobuck-Baustein L6983I von STMicroelectronics ist ein synchroner Abwärts-Schaltregler, der sich durch ein hohes Maß an Leistungsfähigkeit und Effizienz in Anwendungen auszeichnet, die eine geschaltete DC/DC-Stromversorgung für zwei galvanisch voneinander isolierte Systembereiche benötigen.

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Der folgende Artikel beschreibt, wie der neue L6983I die Zukunft der isolierten Stromversorgungen für Hochspannungssysteme prägt. Zu den Anwendungen des neuen Bausteins gehören isolierte Stromversorgungen für SiC-MOSFETs, IGBT-Treiber, Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, Motortreiber, Automatisierungssysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, PV-Wandler, Schweißgeräte und isolierte Schnittstellen (RS232, I2C, SPI usw.).

Der L6983I ist ein synchroner Abwärts-Schaltregler (Buck Regulator), der die Realisierung zweier Ausgangstopologien gleichzeitig gestattet:

Der Hauptausgang ist als konventionelle Tiefsetzsteller-Stufe für bis zu 3 A Laststrom zur Versorgung des Niederspannungs-Teils ausgeführt.
Der zusätzliche isolierte Ausgang ist für bis zu 10 W ausgelegt. Er eignet sich für die sichere Versorgung des Hochspannungs-Teils des Gatetreiber-Kanals oder als Versorgung für einen anderen Bereich, der mit niedriger Versorgungsspannung betrieben wird, sich aber im Hochleistungs-Teil des Systems befindet.

Zu den sinnvollsten Anwendungen, die infolge des allgemeinen Trends zur Elektrifizierung und CO2-Vermeidung in den Blickpunkt rücken, gehören die immer zahlreicher werdenden Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Die wachsende Zahl der Elektroautos auf unseren Straßen erzeugt einen Bedarf an immer mehr Ladestationen, darunter auch Gleichstrom-Schnelladestationen und CHAdeMO-konforme Schnelladestationen.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines DC-Schnellladers. Man erkennt einen mit fester oder variabler Spannung betriebenen Gleichstromteil, einen Mikrocontroller sowie Sensor- und Kommunikationselemente, die eine niedrige Versorgungsspannung von beispielsweise 3,3 oder 5 V benötigen. Hinzu kommen Leistungsbausteine wie etwa MOSFETs für die Hochspannungs-Ladeschaltung. Die Spannungen, mit denen diese MOSFETs betrieben werden, können je nach Architektur zwischen 200 und 1.000 V liegen oder sogar noch höher sein.

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Während die Niederspannungs-Elemente traditionell von einem Leistungsregler versorgt werden, der die eingangsseitige hohe Spannung herabsetzt, betreibt man die Hochleistungs-MOSFETs direkt an der hohen Spannung. Die Gatetreiber jedoch interagieren mit beiden Spannungen, denn ihre eingangsseitige Steuerstufe empfängt Daten vom Niederspannungs-Teil (meist vom Mikrocontroller), während der ausgangsseitige Treiberteil die Hochleistungs-MOSFETs ansteuert, die mit hoher Spannung betrieben werden.

Dies macht die Gatetreiber zu einem kritischen Element, in dem sichergestellt sein muss, dass beide Spannungsbereiche voneinander isoliert bleiben. Gatetreiber, die in diesen Hochspannungs-Anwendungen zum Einsatz kommen, sind deshalb galvanisch isoliert. Die galvanische Isolation stellt hier keineswegs die einzige Möglichkeit dar, aber sie gehört zu den effizientesten Lösungen, wenn man es mit großen Potenzialdifferenzen zu tun hat. Die Niederspannungs-Seite (Eingang) widmet sich der Kommunikation und Steuerung zusammen mit dem Mikrocontroller, wozu die Verarbeitung des mit niedriger Spannung ankommenden PWM-Steuersignals für den jeweiligen MOSFET gehört. Um leitende Verbindungen zu vermeiden und die galvanische Isolation sicherzustellen, werden die Steuerinformationen an die Hochspannungs- bzw. Ausgangsseite übertragen, auf der der Gatetreiber den externen Hochspannungs-MOSFET ansteuert.

Beide Seiten des Gatetreibers benötigen eine Stromversorgung für die verschiedenen Schaltungsteile, und für die Ausgangsseite ist außerdem eine geeignete Spannung zum Ansteuern des MOSFET-Gates erforderlich. Wie hoch diese Spannung sein muss, richtet sich nach der verwendeten MOSFET-Technologie. Sie liegt bei siliziumbasierten MOSFETs meist zwischen 0 und 20 V, während bei Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC), die höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen, Spannungen zwischen -5 und +18 V verwendet werden. Die niedrigen Spannungen, die solche auf der Hochspannungsseite befindlichen Blöcke für ihren Betrieb benötigen, werden meist von der 24-V- bzw. 12-V-Architektur bereitgestellt. Hierdurch könnte jedoch eine alternative leitende Verbindung von der Hochspannungs-Batterie über die MOSFETs und deren Gatetreiber zur 24-V/12-V-Architektur entstehen. Um ungeachtet dessen die Isolation zwischen beiden Spannungsbereichen sicherzustellen, muss auch die Hochspannungsseite des Gatetreibers aus einer isolierenden Reglerstufe versorgt werden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen. Gelegentlich enthalten die Gatetreiber selbst einen integrierten Sperrwandler. STMicroelectronics allerdings bietet mit dem Isobuck L6983I eine zusätzliche effiziente Lösung für dieses Problem an (Isobuck steht für »Isolated Buck«). Der Isobuck L6983I ermöglicht zwei Ausgänge in Gestalt eines konventionellen Abwärtsregler-Ausgangs (Hauptausgang) und eines isolierten Ausgangs (zusätzlicher Ausgang). Der Hauptausgang eignet sich zur Versorgung des Mikrocontrollers oder des Niederspannungs-Teils des Gatetreibers, während der zusätzliche isolierte Ausgang den Hochspannungs-Teil des Gatetreibers speisen kann. Somit ist es mit nur einem Baustein möglich, sämtliche Schaltungsteile eines Gatetreibers mit den richtigen Spannungen zu versorgen (Bild 2).