Broschüre
Auswahlhilfe für Flex-Leistungsmodule
Die Anforderungen an Torantriebe sind vielfältig.
IGBTs und MOSFETs gelten als einfach spannungsgesteuert, während GaN-Zellen zwar mit einer Schwellenspannung eingeschaltet, aber durch einen kleinen Strom in ihre parasitäre Gate-Source-Diode bei einer höheren Spannung im eingeschalteten Zustand gehalten werden – doch die Realität ist komplexer. Alle Bauelemente haben eine maximale Spannung, ab der es zu Belastungen und einem möglichen Ausfall kommt. Der Spielraum zwischen der idealen Durchlassspannung und dem absoluten Maximum ist oft gering. Siliziumkarbid-MOSFETs leiten bereits bei wenigen Volt am Gate, benötigen aber etwa 18 V für die volle Verstärkung, wobei das absolute Maximum manchmal nur 23 V beträgt. IGBTs und Si-MOSFETs sind toleranter, mit typischerweise mehr als 10 V zwischen Betriebs- und maximaler Gate-Spannung. GaN-Zellen benötigen einen Source-Strom, der streng auf wenige mA begrenzt ist und typischerweise bei etwa 7 V abgeschaltet wird.
Die Sperrspannungen variieren ebenfalls; alle Gerätetypen sind nominell bei V abgeschaltet.GSBei einem Wert von =0 werden sie häufig negativ angesteuert, um den Effekt der Miller-Kapazität auszugleichen, die beim Abschalten des Bauelements mit hoher Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dV/dt) Strom in das Gate einspeist und so das Gate positiv zieht. Eine negative Ansteuerung wirkt außerdem der Wirkung einer möglichen gemeinsamen Induktivität in den Gate- und Source/Emitter-Anschlüssen entgegen, die eine kurzzeitige positive Gate-Spannung mit hoher Abschaltspannung (di/dt) verursachen könnte.
Die Gate-Treiberleistung variiert stark – die größten IGBTs benötigen aufgrund ihrer hohen Gate-Ladung über 10 W, während der Wert bei GaN-Zellen im mW-Bereich liegt. Er hängt von der Schaltfrequenz und der gesamten Gate-Spitzenspannung ab und liegt in der Praxis typischerweise zwischen 0,5 und 2 W für IGBTs und MOSFETs. Die Spitzenströme an den Schaltflanken können bei großen Bauelementen ebenfalls Ampere erreichen. Gate-Treiber müssen daher ihre Ausgangsleistung präzise steuern, um minimale Leitungsverluste zu gewährleisten und Belastungen sowie daraus resultierende Zuverlässigkeitseinbußen zu vermeiden. Sie benötigen eine hohe Spitzenstrombelastbarkeit und eine signifikante Dauerleistungsbelastbarkeit und müssen mit kontrollierten PWM-dV/dt-Raten arbeiten, um den besten Kompromiss zwischen Effizienz und EMV zu erzielen. Außerdem sollten sie über eine Unterspannungsabschaltung und eine Form der Lastfehlererkennung mit schneller Abschaltung verfügen.
Die Stromschienen des Treibers sind von entscheidender Bedeutung.
Ein wesentlicher Bestandteil eines leistungsstarken Gate-Treibers ist die Bereitstellung seiner Versorgungsspannungen, die die Gate-Spannungspegel festlegen. Da die benötigten Spannungen, wie z. B. +15 V/-5 V, nicht den Systemstandards entsprechen, wird ein lokaler DC/DC-Wandler verwendet, der von einer verfügbaren Versorgungsspannung, typischerweise 12 V oder 24 V, gespeist wird. Der DC/DC-Wandler ist aus mehreren Gründen üblicherweise isoliert: Er trennt die Ströme von Treiber und Lastmasse, Gate-Treiber sind oft ‘High-Side’-Treiber mit einem Offset von 0 V, und in vielen Anwendungen ist eine behördlich vorgeschriebene Sicherheitsisolation zwischen der geschalteten Lastspannung und der Steuerelektronik erforderlich. Abbildung 1 zeigt die Elemente einer typischen, voll ausgestatteten isolierten Gate-Treiberschaltung und ihrer Stromversorgung.
Abbildung 1: Ein isolierter Gate-Treiber und eine Stromversorgung, hier dargestellt mit für einen SiC-MOSFET typischen Versorgungsspannungen.
Eine niedrige Treiberisolationskapazität ist unerlässlich.
Bei der High-Side-Ansteuerung ist die Masse des DC/DC-Wandlers und des Treiberausgangs der Hauptschaltknoten des Wandlers. Hier kann eine Hochspannungswellenform mit Frequenzen von mehreren zehn oder hundert kHz und Anstiegsgeschwindigkeiten von bis zu 100 kV/µs anliegen, bei Verwendung von GaN möglicherweise sogar noch höher. Diese Wellenform liegt effektiv an den Isolationsbarrieren für Treibersignal und -leistung an, belastet die Isolation und injiziert einen signifikanten Verschiebungsstrom durch die Barrierenkapazität. Beispielsweise würden bereits moderate 10 kV/µs 200 mA durch nur 20 pF fließen lassen. Der Strom nimmt dann einen unbestimmten Weg zurück zu seiner Quelle über die Steuerelektronik und kann dadurch elektromagnetische Störungen (EMI), chaotischen Betrieb und sogar den Ausfall der Isolation oder anderer Komponenten verursachen.
Für die Antriebsleistung der Tore ist eine modulare Lösung verfügbar.
Der Bedarf an DC/DC-Wandlern, die speziell für die Ansteuerleistung von Gates entwickelt wurden, wurde durch Module wie beispielsweise die PUC-2BG Das Sortiment umfasst Flex-Leistungsmodule. Es handelt sich um 2-W-Bauteile im SIP-7-Durchsteckbauweise mit branchenüblicher Pinbelegung. Die Produkte bieten eine Reihe fester Eingangs- und Ausgangskombinationen und eignen sich für IGBTs, Si- und SiC-MOSFETs und sogar GaN-Zellen mit zusätzlicher Spannungs- und Stromregelung.Abbildung 2).
Abbildung 2: Die PUC-2BG Angebot an Gate-Treiber-DC/DC-Wandlern aus Flex-Leistungsmodulen für SiC/GaN/IGBT-Anwendungen
Eine Besonderheit der Bauteile ist ihre geringe Isolationskapazität von maximal 6,8 pF und minimal 4,4 pF. Die behördlich geprüfte Sicherheitsisolation erfüllt die Anforderungen der Norm IEC/EN/UL 62368-1 für verstärkte Isolation bei Systemspannungen von 250 Vrms. Die Hochspannungsprüfung erfolgt mit einer Spannung von 6,2 kVDC.
Die Bauteile sind robust und für Temperaturen bis 85 °C ohne Leistungsreduzierung ausgelegt; der Betrieb ist bis maximal 100 °C möglich. Ein Kurzschlussschutz ist integriert, und die Ausgänge bleiben auch bei Leerlauf innerhalb der spezifizierten Werte. Dies ist wichtig, um transiente Gate-Überspannungen beim Einschalten oder nach dem Standby-Betrieb zu vermeiden, wenn die benötigte Gate-Leistung nahezu null ist und die DC/DC-Ausgangsspannung andernfalls ansteigen könnte. Mit einem typischen Wirkungsgrad von 811 T/34 µF und einer mittleren Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von 13 Millionen Stunden ist das Bauteil kühl, zuverlässig und wartungsarm.
