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Mit SiC Stromversorgungen vereinfachen und Kosten sparen

Die Siliziumkarbid-Technologie bietet neben einem höheren Wirkungsgrad viele weitere Vorteile, die es Entwicklern ermöglichen, die Leistungsdichte zu erhöhen, die Zuverlässigkeit zu verbessern und die gesamte Stückliste zu optimieren. Das funktioniert selbst in einer relativ einfachen Schaltung wie einem Flyback-Wandler.

Siliziumkarbid- (SiC-) Leistungshalbleiter gelten als effizientere Lösung für Leistungswandler-Anwendungen, bei denen Energie extrem wertvoll ist, wie beispielsweise Solargeneratoren und Elektrofahrzeuge.

Tatsächlich haben sie noch viele weitere Vorteile zu bieten, darunter die Erhöhung der Leistungsdichte und Zuverlässigkeit aufgrund ihrer besseren Temperaturbeständigkeit, die Vereinfachung des Schaltungsdesigns, die Verringerung der Abhängigkeit von externen Komponenten und die Möglichkeit, kleinere und kostengünstigere passive Komponenten einzusetzen. Um zu sehen, wie sich diese in gewöhnlichen Anwendungen nutzen lassen, vergleicht dieser Beitrag mehrere Designs für einen Flyback-Wandler einer Hilfsstromversorgung mit SiC- und Siliziumtechnologien.

Basis für die Vorteile von SiC

In der Form, die für die Herstellung von Leistungshalbleitern verwendet wird, weist SiC eine Bandlücke von 3,2 eV zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband auf. Das entspricht etwa dem Dreifachen des Wertes von gewöhnlichem Silizium. Darüber hinaus ist seine dielektrische Durchschlagsfeldstärke etwa zehnmal so hoch wie die von Silizium. Zusammen verleihen diese beiden Eigenschaften SiC-Bauelementen überlegene Eigenschaften, darunter schnelleres Schalten, höherer Wirkungsgrad, höhere Temperaturstabilität und höhere maximale Betriebstemperatur. Für Geräteentwickler kann dies die Anforderungen an das Wärmemanagement verringern, ohne die Zuverlässigkeit der Bausteine zu beeinträchtigen.

Aufgrund der höheren Durchschlagfeldstärke von SiC können MOSFETs mit einer wesentlich dünneren Driftschicht konstruieren werden, was zu einem geringeren Durchlasswiderstand, RDS(ON), in Bezug auf die Die-Fläche für eine bestimmte Durchbruchspannung führt. Um eine hohe Durchbruchspannung in gewöhnlichem Silizium zu erreichen, weisen MOSFETs ein höheres RDS(ON) auf, was höhere Leitungsverlusten erzielt. SiC ermöglicht auch eine geringere MOSFET-Gate-Ladung, Qg, als Vorausetzung für ein schnelleres Schalten mit geringerem Energieverlust bei gleichzeitig niedrigem RDS(ON) und hoher Durchbruchspannung.

Herausforderungen bei der Entwicklung einer Hilfsstromversorgung

Geräte wie Solarwechselrichter, industrielle DC/DC-Wandler, Batterieladegeräte und andere enthalten oft eine Hilfsstromversorgung. Diese wird über den Haupteingang betrieben, um Subsysteme wie Sensormodule, ein Display und andere Steuergeräte oder Treiber zu versorgen (Abbildung 1).

Begrifflichkeiten zum Umwandlung der Grafik in D:

Input

Eingang

System

System

(PV inverter, DC/DC converter, Battery Charger, etc.)

(PV-Wechselrichter, DC/DC-Wandler, Batterieladegerät, etc.)

Main Converter

Hauptwandler

Auxiliary power supply

Hilfsstromversorgung

LV subsystems (i.e. control units, sensors, human interfaces, gate drivers)

Niederspannungs-Subsysteme (z.B. Steuergeräte, Sensoren, Bedienoberflächen, Gate-Treiber)

Output

Ausgang

Der Einfachheit halber kommt typischerweise ein Flyback-Wandler zum Einsatz. Der Hauptleistungsschalter muss aufgrund der von der Sekundärseite reflektierten Spannung, des maximalen Abschaltüberschwingens und der DC-Eingangsspannung der Worst-Case-Drain-Source-Spannung standhalten können (Abbildung 2). Die Summe dieser Spannungen kann 1300 V übersteigen.

Begrifflichkeiten zum Umwandlung der Grafik in D:

AC Mains 3ph

3-phasige Netzspannung

Reflected voltage from secondary side

von der Sekundärseite reflektierte Spannung

Turn-off overshoot

Abschaltüberschwingen

Eine Vielzahl von Designansätzen kann in Betracht gezogen werden, um sicherzustellen, dass der Leistungstransistor den Worst-Case-Spannungen an den Drain- und Source-Anschlüssen standhalten kann. Jeder davon bietet eigene Vor- und Nachteile.

Ein Ansatz ist die Wahl eines Leistungstransistors mit hoher Durchbruchspannung, z.B. 1500 V. Allerdings weisen herkömmliche Silizium-Hochspannungstransistoren einen relativ hohen Durchlasswiderstand RDS(ON) auf, wodurch unerwünschte Leitungs- und Wärmeverluste entstehen. Sie neigen auch zu einer hohen Gate-Ladung (Qg), die hohe Treiberverluste verursacht sowie einen hohen Ableitstrom, insbesondere bei hohen Temperaturen.

Als Alternative bietet sich die Reihenschaltung zweier 800-V-Silizium-MOSFETs an. Dies erfordert komplexere Gate-Treiberschaltungen und eine Spannungsausgleichsschaltung. Weiters benötigen beide Bauteile eine Wärmesenke, was den Platzbedarf erhöht.

Eine weitere Lösung ist der Einsatz einer Flyback-Topologie mit zwei Schaltern (Abbildung 3) auf Kosten einer höheren Schaltungskomplexität. Für die Steuerung des High-Side-Schalters ist ein isolierter Gate-Treiber und eine Stromversorgung erforderlich, und für jedes Bauteil wiederum eine Wärmesenke.

Stattdessen kann ein einzelner SiC-MOSFET wie der SCT2H12NZ mit 1700 V Durchbruchspannung und 3,7 A Nennstrom verwendet werden. Dieser Baustein kombiniert eine hohe Durchbruchspannung mit einem RDS(ON)-Bereich von bis zu 1/8 des Wertes vergleichbarer 1500-V-Silizium-MOSFETs. Darüber hinaus sind Qg und Eingangskapazität stark reduziert, was eine höhere Schaltfrequenz und damit kleinere externe Komponenten ermöglicht. Weil SiC höheren Betriebstemperaturen standhält, gibt es weniger Anforderungen an die Wärmesenken.

Indem eine Single-FET-Flyback-Schaltung die erforderliche Durchbruchspannung bei minimalen Leitungsverlusten erreicht und mit höherer Schaltfrequenz arbeitet, kann die Umstellung auf SiC zu Stücklisteneinsparungen führen, die insgesamt eine wirtschaftlichere Lösung realisiert.

Ein spezieller Flyback-Controller-IC, der BD7682FJ, ist für den Betrieb von SiC-MOSFETs vorgesehen. Zusätzlich zur Erzeugung eines Gate-Treibersignals im empfohlenen Bereich von 14 V bis 22 V für SiC-Bausteine (typischerweise etwa 18 V) beinhaltet es eine 14-V-Unterspannungssperre (UVLO) zur Vermeidung thermischer Probleme sowie eine Ausgangsklemme zur Vermeidung von Überspannungen am SiC-Gate. Die Steuerung implementiert quasi-resonantes Schalten, um dynamische Verluste zu minimieren und ein geringes Rauschen zu erreichen. Zudem verfügt sie über einen Burst-Modus, um den Wirkungsgrad bei geringer Last erhöht. Schutzfunktionen wie Softstart, Überstrombegrenzer pro Zyklus, Überspannungsschutz und Überlastschutz sind ebenfalls integriert.

Leistungsbeurteilung

Rohm hat ein Evaluation-Board für eine 100-W-Hilfsstromversorgung mit dem SCT2H12NZ und dem BD7682FJ gebaut, das mit einer Eingangsspannung von 210 V bis 480 V AC oder 300 V bis 900 V DC arbeiten kann.

Abbildung 4 zeigt die Wellenformen von VGS und VDS des Transistors bei geringer Last (links), 50% Last (Mitte) und Nennlast (rechts). Die Wellenformen bei geringer Last zeigen, wie die Steuerung mehrere Wellentäler wartet, bevor sie den MOSFET einschaltet, was zu einer niedrigeren Betriebsfrequenz als dem nominalen 90- bis 120-kHz-Bereich führt. Mit zunehmender Ausgangsleistung wird die Verzögerungszeit reduziert und die Betriebsfrequenz erhöht. Bei Nennleistung erfolgt das Einschalten im ersten Tal. Messungen über den gesamten Lastbereich haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad am Nennleistungsausgang auf 88-92% steigt, bei Eingangsspannungen von 300 V bis 900 V DC.

Mit der Entwicklung dieses Evaluation-Boards für die Hilfsstromversorgung bestätigte Rohm, dass sich Kosteneinsparungen auf Systemebene erzielen lassen, wenn die Vorteile von SiC-Bausteinen komplett ausgeschöpft werden.

Volle Integration für maximalen Nutzen

Mit der Entwicklung des quasi-resonanten AC/DC-Wandlers BM2SCQ121T-LBZ ist Rohm einen Schritt weiter gegangen, indem ein voll integrierter 4-A-1700-V-SiC-MOSFET mit der Funktionalität des BD7682FJ einschließlich UVLO, Spannungsklemmen und Burst-Modus kombiniert wurden. Der Wandler im praktischen TO-220-6M-Gehäuse macht Entwicklungen mit SiC einfacher denn je und maximiert die Einsparungen bei der Anzahl der Teile und der Leiterplattenfläche.

Fazit

Durch die Kombination von hoher Durchbruchspannung mit niedrigem RDS(ON) sowie hoher Schaltgeschwindigkeit, geringer Schaltverluste und hoher Temperaturbeständigkeit ermöglichen Siliziumkarbid-MOSFETs Entwicklern eine Vereinfachung des Schaltungsdesigns und niedrigere Stücklistenkosten in einem breiten Anwendungsspektrum, einschließlich einfacher Flyback-Wandler. Ein neuer, voll integrierter Flyback-Wandler-IC mit Gate-Treiber- und Steuerschaltung mit eingebautem 1700-V-SiC-MOSFET kapselt diese Vorteile in einem einfach zu bedienenden, industrietauglichen Leistungsgehäuse.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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