Kompaktes isoliertes Gate-Treiber-Netzteil für SiC-MOSFETs

SiC- und GaN-MOSFETs ermöglichen effiziente und platzsparende Stromversorgungskonstruktionen mit höheren Schaltfrequenzen. Mit der neuen Transformator-Produktreihe WE-AGDT können Entwickler problemlos eine kompakte und effiziente Gate-Treiber-Versorgung mit einer Ausgangsleistung bis 6 W realisieren.

Wide-Bandgap-Leistungshalbleiterbauelemente wie SiC-MOSFETs (Siliziumkarbid-MOSFETs) erfreuen sich wachsender Beliebtheit in vielen modernen Leistungselektronik-Anwendungen wie E-Mobilität und erneuerbare Energien. Ihre äußerst hohe Schaltfrequenz hilft, die Effizienz zu steigern und die Gesamtgröße und die Kosten des Systems zu reduzieren. Die schnelle Schaltgeschwindigkeit zusammen mit hohen Betriebsspannungen und steigenden Schaltfrequenzen stellt das Gate-Treiber-System jedoch vor große Herausforderungen. Die robuste galvanische Isolation, die Einhaltung von Sicherheitsstandards, die Störfestigkeit von Steuersignalen und die EMI-Leistung sind nur einige der wichtigsten Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt. Ein optimales Design der isolierten Hilfsversorgung, welche die Spannungs- und Strompegel zur Ansteuerung des SiC/GaN-Bauelements bereitstellt, ist entscheidend, um dem Full-Gate-Treiber-System zu helfen, die vielen Anforderungen zu erfüllen, die von hochmodernen Anwendungen gestellt werden.

Anforderungen an die SiC/GaN-Gate-Steuerung

Bei Anwendungen mit SiC/GaN-Hochspannungs-Halbleiterbauelementen, die unter hart schaltendem Betrieb arbeiten, ist eine galvanische Trennung aus Sicherheits- und Funktionsgründen eine gängige Anforderung, bei der je nach Anwendung eine grundlegende oder verstärkte Isolation erforderlich ist. Die Betriebsspannung, das Isolationsmaterial, der Verschmutzungsgrad und die geltenden behördlichen Vorgaben legen die minimalen Kriech- und Abstandsabstände sowie die Anforderung an die dielektrische Isolationsspannung für die über der Isolationsbarriere platzierten Bauelemente fest. Der isolierte High-Speed-Gate-Treiber-IC (z. B. TI UCC21520) und der Transformator in der isolierten Hilfsstromversorgung (DC/DC-Block in Abbildung 1) „überbrücken“ diese Isolationsbarriere und müssen daher strengen Sicherheits- und Funktionsanforderungen gerecht werden.

Abbildung 1. Übersicht einer HV-Halbbrückensteuerung des High-Side- & Low-Side-SiC-MOSFETs.

Einige der neuesten SiC-MOSFET-Geräte benötigen typische Gatespannungen zwischen +15 V und +20 V für ein vollständiges Einschalten und zwischen 0 V und -5 V für ein zuverlässiges Ausschalten. Für einen GaN-FET werden in der Regel nur +5 V bzw. 0 V benötigt, obwohl auch eine kleine negative Spannung angelegt werden kann, um ein Abschalten bei übermäßigem Gate-Spannungsklingeln zu gewährleisten. Bitte beachten Sie, dass diese Werte je nach Hersteller unterschiedlich sind. In Abbildung 1 ist eine Halbbrückenkonfiguration dargestellt und mehrere dieser Stufen werden in der Regel in einer Wechselrichterschaltung benötigt, um AC-Motoren im kW-Bereich anzusteuern. Jeder SiC/GaN-FET benötigt eine unabhängige Gate-Treiberstufe mit eigener isolierter Hilfsversorgung. Dies ermöglicht nicht nur eine individuelle Steuerung jeder SiC/GaN-Vorrichtung, sondern hilft auch, die Gate-Stromschleife klein und lokal für die Vorrichtung zu halten, wodurch die nachteiligen Auswirkungen der parasitären Schleifeninduktivität und des Ground-Bounce, welche durch die sehr hohen ΔI/Δt verursacht werden, die während des Schaltübergangs erzeugt werden, minimiert werden (Abbildung 2 und Abbildung 3).

Abbildung 2. Hohe ΔI/Δt-Strompfade beim Einschalten des SiC/GaN-FETs.

Abbildung 3. Hohe ΔI/Δt-Strompfade beim Ausschalten des SiC/GaN-FETs.

Wenn dies ignoriert wird, kann dies zum unkontrollierten Ein-/Ausschalten des MOSFETs und zu thermischen Problemen führen. Einige SiC-MOSFETs sind mit einem zusätzlichen niederohmigen Kelvin-Source-Anschluss (Abbildung 4) für einen Gate-Rückstrompfad entwickelt. Dieser Anschluss führt den hohen Schaltstrom nicht und hat daher ein geringeres Störpotential als der Quellenanschluss, was die Gateansteuerung (z. B. Infineon IMZ120R045M1, 1200 V/52 A) deutlich verbessert.

Abbildung 4. Kelvinanschlüsse und kritische parasitäre Induktivitäten in Halbbrückenkonfiguration.

Die Hilfsversorgung sollte kompakt sein, wobei ihre Ausgangskondensatoren (mit minimalen ESL- und ESR-Werten) sehr nahe am Gate-Treiber und SiC/GaN-Bauelement zu platzieren sind, um die Gate-Stromschleife und die damit verbundenen parasitären Effekte zu minimieren.

Ansteuerung von SiC-MOSFETs

Derzeit gibt es eine große Auswahl an kompakten, isolierten DC/DC-Wandlern (1-2 W) auf dem Markt. Für einen SiC-MOSFET wie den IMZ120R045M1 (1200 V/52 A) von Infineon kann ein Leistungsbedarf bis 1 W pro Gerät geschätzt werden (Beispielrechnung (1)). Eine Anwendung mit einer Lastleistung von mehr als 5 kW würde jedoch die Verwendung entweder eines SiC-MOSFET-Moduls (z. B. BSM600D12P3G001 (1200 V/600 A) von ROHM) oder alternativ mehrerer diskreter SiC-MOSFETs parallel erfordern (Stromaufteilung). In einer Modullösung werden mehrere Halbleiterchips parallel geschaltet, um den endgültigen SiC-MOSFET zu bilden. Diese Technik reduziert den effektiven RDS(ON), führt aber zu einer höheren Gesamt-Gate-Ladung, QG, die mehr Antriebsleistung von der Stromversorgung des Gate-Treibersystems erfordert (Beispielberechnung (2)). Über einer Leistung von 2 W gibt es nur eine sehr begrenzte Auswahl an handelsüblichen, isolierten DC/DC-Wandlermodulen, die abgesehen von ihren Vorteilen oft einen Aufpreis haben, größer als diskrete Lösungen sind und einen Wirkungsgrad von unter 79 % aufweisen.

Die Gesamtleistung zur Ansteuerung eines SiC-Gates wird anhand von Gleichung 1 berechnet:

P_GATE = P_DRIVER + (Q_G x F_SW x ΔV_GATE) (Äq. 1)

Wobei Folgendes gilt:

P_GATE: Gesamtleistung, die zum Ansteuern des SiC-Geräte-Gates erforderlich ist

P_DRIVER: Verlustleistung im Gate-Treiber-Abschnitt (ca. 0,3 W)

Q_G: Gate-Gesamtladungswert (aus Datenblatt)

F_SW: Maximale Schaltfrequenz

ΔV_GATE: Maximaler Spannungshub am Gate von -Ve bis +Vdd (z. B. -4 V bis +15 V = 19 V)

Beispielrechnung (1) mit IMZ120R045M1 (1200 V/52 A) von Infineon:

P_GATE = 0,3 W + (62 nC x 100 kHz x 19 V) = 0,42 W

Beispielrechnung (2) mit BSM600D12P3G001 (1200 V/600 A) von ROHM:

P_GATE = 0,3 W + (1900 nC x 100 kHz x 19 V) = 3,91 W

Die derzeit erhältlichen SiC-MOSFET-Module können eine Gate-Gesamtladung von wenigen hundert nC bis 3000 nC aufweisen. Je größer ihre Sperrspannungs- und Leistungswerte sind, desto höher ist ihre Gate-Kapazität. Mit einer Erhöhung der Schaltfrequenz oder Lastleistung (die mehr parallel geschaltete SiC-Geräte mit der entsprechenden Erhöhung der Gate-Gesamtladung erfordert) kann eine Treiber-Systemleistung von 6-10 W für die anspruchsvollsten gegenwärtigen und nahen zukünftigen Anwendungen erwartet werden.

Effizienz, Größe und vor allem die parasitäre Koppelkapazität sind wichtige Parameter in hochleistungsfähigen SiC-basierten Systemen. Mit zunehmender Schaltgeschwindigkeit mit den daraus resultierenden sehr steilen Schaltflanken koppeln die Oberwellen kapazitiv zwischen Wandlerausgangsstufe/Gate-Treiber (Hochspannungsseite) und der Niederspannungssteuerseite.

Die parasitäre Kapazität (CP) zwischen Primär- und Sekundärseite in der Hilfsgate-Treiberversorgung wird hauptsächlich durch die Kapazität zwischen den Wicklungen des DC/DC-Leistungstransformators eingestellt. Mit den neuesten SiC-MOSFETs, die bei ΔU/Δt-Anstiegsraten von 100 kV/us schalten, würde eine parasitäre Kapazität von 10 pF einen Spitzenverschiebungsstrom von 1 A über die Isolationsbarriere verursachen. Ein hoher Verschiebungsstrom kann die Isolationsbarriere auf lange Sicht verschlechtern (dielektrische Spannung), die Steuersignale stören und zu Gleichtaktströmen führen, die eine typische Quelle für EMI-Probleme sind.

I_P = C_P x ΔU/Δt (Äq. 2)

Wobei Folgendes gilt:

I_P: elektrischer Verschiebungsstrom

C_P: parasitäre Koppelkapazität

Generell wird empfohlen, CP in der Hilfsversorgung unter 10 pF zu halten. Beachten Sie jedoch, dass die vom System tolerierte maximale Kapazität von der Schaltgeschwindigkeit und der Gleichtakt-Störfestigkeit (CMTI) des verwendeten Gate-Treiber-ICs abhängt.

Diesen Herausforderungen hat Würth Elektronik mit seinen neuen Referenzdesigns für SiC-Gate-Treiber-Netzteile mit geeigneten Lösungen begegnet. Diese Designs basieren auf den neuen WE-AGDT-Transformatoren mit sehr niedriger Kapazität zwischen den Wicklungen bis 6,8 pF. Sie liefern unterschiedliche gut geregelte bipolare sowie unipolare Gate-Treiber-Spannungen mit einer Ausgangsleistung bis 6 W bei gleichzeitig äußerst kompaktem Formfaktor (27 x 14 x 14 mm (L x B x H)). (Abbildung 5).

Abbildung 5. Referenzdesign von Würth Elektronik für einen kompakten, isolierten DC/DC-Wandler für HV-SiC/IGBT-Gate-Treiber.

Referenzdesign für SiC-Gate-Treiber-Netzteil

Das bipolare Referenzdesign (RD001) weist folgende Merkmale auf:

• Eingangsspannungsbereich: 9-18 V
• Ausgangsspannungsvarianten: +15 V / -4 V, +19 V / -4 V und +20 V /-5 V.
• Spitzenwirkungsgrad bis 86 % (83 % bei 6 W)

Abbildung 6. Spannung positiver und negativer Schienen gegenüber Lastleistung für +15 V/-4 V-Variante (@ VIN (nominal) = 12 V).

Das unipolare Referenzdesign (RD002) weist folgende Merkmale auf:

• Eingangsspannungsbereich: 9-18 V
• Ausgangsspannungsvarianten: +15 V, +18 V und +20 V
• Spitzenwirkungsgrad bis 88 % (86 % bei 6 W)

Neben dem Controller LT8302 (Analog Devices) sind die neuen WE-AGDT-Transformatoren, die auf einem kompakten EP7-Spulengehäuse aufgebaut sind, wichtige Bauelemente in diesen Referenzdesigns und weisen die folgende Spezifikation auf:

• Großer Eingangsspannungsbereich: 9-36 V
• Äußerst kapazitätsarme Wickeltechnik, typ. 6,8 pF
• Sehr geringe Streuinduktivität für höchsten Wirkungsgrad
• Bereit für SMD-Bestückung
• Sicherheitsstandard IEC-62368-1, IEC-61558-2-16
• Basisisolation für 800 V (Spitze)
• Dielektrische Isolation min. 4 kV AC
• Temperaturklasse B 155 °C
• Gemäß AEC-Q200 zugelassen

Die Referenzdesign-Dokumente RD001 [1] und RD002 [2] enthalten detaillierte Informationen und stehen auf der Website von Würth Elektronik zum Download zur Verfügung, zusammen mit den entsprechenden Leiterplattenlayout-Dateien (Altium Designer) sowie Leiterplatten-Fertigungsdateien.

Bitte beachten Sie, dass die Leistungsfähigkeit dieser Designs mit einer EP10-Spule und entsprechender Aufwertung einiger Bauelemente leicht auf 10 W skaliert werden kann. Die Techniker von Würth Elektronik bieten Unterstützung bei spezifischen Anforderungen.

Die neue Produktreihe WE-AGDT [3] der zusätzlichen Gate-Treiber-Transformatoren von Würth Elektronik verfügt über acht verschiedene Transformatoren, die jeweils für unterschiedliche Spezifikationen und ein eigenes Referenzdesign optimiert sind. Sie bieten Designflexibilität und Benutzerfreundlichkeit bei gleichzeitiger Bereitstellung der Gate-Treiber-Spannungspegel, der Treiberleistung und der geringen parasitären Kapazität, die zum Ansteuern von hochmodernen SiC-MOSFETs, Silizium-IGBTs und Leistungs-MOSFET-Bauelementen erforderlich sind.

Um mehr über die neue Produktreihe WE-AGDT der zusätzlichen Gate-Treiber-Transformatoren von Würth Elektronik zu erfahren, klicken Sie hier

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