In den Anfängen der Leistungselektronik standen Entwicklern nur bipolare Leistungstransistoren zur Verfügung. Sie waren für Sperrspannungen bis 500 V geeignet und konnten Ströme von 100 A und mehr schalten. Diese durchaus beachtliche Leistung musste aber durch hohe Steuerströme erkauft werden. Um die Schaltflanken möglichst steil zu machen – und damit die Verluste zu begrenzen – waren an der Basis Ströme von 10 bis 20 % des Kollektorstroms erforderlich, was einen entsprechend negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad hatte. Diese Problematik konnte mit der Entwicklung erster Leistungs-MOSFETs (Metall Oxid Feldeffekt-Transistoren) behoben werden. Das Gate von MOSFETs ist isoliert aufgebaut, sodass nur vernachlässigbar kleine Ströme zu Ladung und Entladung der Gate-Kapazität fliessen müssen. Der Energieverlust im durchgeschalteten Zustand – auch «ON-Verluste» genannt – war allerdings wesentlich höher als bei bipolaren Transistoren.
Neue Transistortechnologien sorgen für Quantensprung
Durch die Verschmelzung beider Technologien zum «Insulated Gate Bipolar Transistor» (IGBT) entstand eine neue Spezies, bei der die Vorzüge beider Vorgänger kombiniert werden konnten. IGBTs lassen sich wie MOSFETs nahezu leistungslos ansteuern und haben im durchgeschalteten Zustand den für bipolare Transistoren typischen, niedrigen Spannungsabfall auf der Kollektor/Emitter-Strecke. Sie können deshalb hohe Spannungen und Ströme mit geringen Verlusten schalten. Entsprechend rasant eroberte der IGBT die gesamte Leistungselektronik – neben Wechselrichtern vor allem Motorsteuerungen, Schweissanlagen, Induktionsöfen, Vakuumgeneratoren und vielem mehr bis hin zur Elektromobilität. Damit kam die Entwicklung bei Leistungsschaltern erst richtig in Schwung. Nach dem monokristallinen Silizium beim IGBT rückten plötzlich neue Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) in den Mittelpunkt des Interesses. Dieses Material hat einen höheren Schmelzpunkt und erlaubt wesentlich dünnere Isolationsschichten am Gate. Dadurch verbessert sich die thermische Leitfähigkeit, wodurch höhere Leistungsdichten realisierbar werden. Die Schaltverluste von SiC-MOSFETs sind gegenüber IGBTs um rund Faktor 4 geringer – ein Vorteil, der sich besonders im oberen Leistungsbereich und bei höheren Schaltfrequenzen bezahlt macht. Während die Möglichkeiten der SiC-Technologie durch immer dünner werdende Sperrschichten und modifizierte Topologien weiter erschlossen werden, eröffnen auf Galliumnitrid (GaN) basierte Transistoren neue Perspektiven im Hinblick auf noch höhere Leistungsdichte und Effizienz. Alle diese Leistungstransistoren – egal ob IGBT, SiC-MOSFET oder GaN-FET – haben eines gemeinsam: Ihr Gate muss über spezifische Treiber angesteuert werden. Und diese Treiber benötigen eine gut isolierte, speziell für den jeweiligen Transistor optimierte Stromversorgung.
DC/DC-Wandler machen die Versorgung von Gate-Treibern einfacher
Die Effizienz moderner Leistungsschalter wird massgeblich durch die «ON-Verluste» im durchgeschalteten Zustand und durch die Steilheit der Schaltflanken bestimmt. Während sich die «ON-Verluste» schaltungstechnisch kaum beeinflussen lassen, lässt sich die Flankensteilheit durch die Qualität des Gate-Treibers und dessen Stromversorgung verbessern. Gängige Treibermodule müssen dafür asymmetrisch mit positiver und negativer Spannung angesteuert werden. Allerdings unterscheiden sich die für IGBTs und SiC-MOSFETs nötigen Spannungen erheblich voneinander. Auch für SiC-MOSFETs untereinander können je nach Topologie andere Spannungen erforderlich sein. Die Vielfalt auf der Transistorseite mit ihren spezifischen Vorteilen bedingt also eine ähnliche Vielfalt bei der Versorgung der Treiber durch DC/DC-Wandler.
In den Datenblättern für IGBTs sind in der Regel Threshold-Spannungen um +3 V spezifiziert. Für ein schnelles Durchschalten haben sich allerdings Werte um +15 V als optimal erwiesen. Beim Ausschalten muss das Gate negativ angesteuert werden, um ein ungewolltes Wiedereinschalten zu verhindern. Denn dies würde unweigerlich zum Kurzschluss im Leistungspfad führen – mit fatalen Konsequenzen für die gesamte Anlage. In der Praxis haben sich –9 V als völlig ausreichend etabliert. Zur Versorgung von IGBT-Treibern sind deshalb duale DC/DC-Wandler mit Spannungen von +15 und –9 V von Vorteil – z. B. der RKZ-xx1509D von Recom. Eine etwas andere Situation ergibt sich beim SiC-MOSFET. Seine Schaltschwelle liegt mit +1 bis +2 V etwas niedriger. Um die leitenden Verluste (RDSON) möglichst gering zu halten, ist allerdings eine Gate-Source-Spannung von +20 V erforderlich. Würde man die für IGBTs üblichen +15 V verwenden, lägen die RDSON-Verluste um bis zu 30 % höher. Für ein sicheres Ausschalten haben sich Spannungen von –5 V bewährt. Deutlich geringere negative Spannungen gingen zulasten der Sicherheit, höhere würden die Gate-Source-Parameter verändern und im Extremfall die Systemstabilität beeinträchtigen. Eine sehr gute Lösung stellen die Recom-Wandler der Reihe der RxxP22005D dar. Sie haben bis zu 2 W Leistung und «Power Sharing» zwischen den Ausgängen mit +20 und –5 V. Für einige SiC-MOSFETs der neuen Generation werden Versorgungsspannungen von +15 und –3 V genannt. Ein passender Wandler für diese Applikationen ist der RxxP21503D.
Schnelle Schaltflanken – hohe Isolation
DC/DC-Wandler versorgen die Treiber aber nicht nur mit der optimalen Spannung, sie sorgen auch für genügend Isolation und damit für die Sicherheit des gesamten Systems. Da die Gate-Treiber direkt an die hohen, schnell wechselnden Potenziale der Leistungstransistoren gekoppelt sind, muss sowohl der Signalpfad als auch die Versorgung der Treiber-ICs sehr gut isoliert sein. Letzteres ist durch den Einsatz hoch isolierter DC/DC-Wandler besonders komfortabel realisierbar.
Bildlich gesehen ist die Isolationsbarriere eines DC/DC-Wandlers vergleichbar mit einem Deich. Ist er zu nieder, wird er im Falle einer Sturmflut so lange durchnässt und überspült, bis er bricht. Ganz ähnlich verhält es sich mit der Isolation eines DC/DC-Wandlers. Diese muss die am Massepotenzial gekoppelte Elektronik sicher vom auf hohem Potenzial floatenden Leistungsteil trennen. Hohe Schaltfrequenzen – für IGBTs meist 10 bis 20kHz, für SiC-MOSFETs knapp 50kHz oder auch bis zu 150kHz – und steile Schaltflanken bedeuten permanenten Stress für die Isolation. Dies nicht zuletzt auch durch kaum messbare Spannungsspitzen, die durch das Zusammenspiel parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten hervorgerufen werden können.
Es gibt keine «magische Formel», mit der sich die erforderliche Isolationsspannung und damit die Lebenserwartung des Systems exakt bestimmen liessen. Auch die Messtechnik kann hier nur sehr bedingt weiterhelfen. Denn schon die relativ geringe Kapazität einer Messsonde kann das Ergebnis verfälschen. Letzte Sicherheit gibt es nicht. Deshalb tendieren Entwickler bei der Dimensionierung schneller Leistungsschalter dazu, Wandler mit höherer Isolation einzusetzen, als dies auf den ersten Blick erforderlich erscheint.
DC/DC-Wandler für die moderne Leistungselektronik
Recom fertigt diverse DC/DC-Wandler, die speziell für die Versorgung von SiC-MOSFET- und IGBT- Treibern entwickelt wurden. Die Wandler leisten 1 und 2 W und verfügen über asymmetrische Ausgänge mit wahlweise +15/–9 V (IGBT) oder +20/–5 V bzw. +15/–3 V (SiC-MOSFET). Als Eingangsspannung sind Werte von 5, 12, 15 und 24 V verfügbar. Die Wandler arbeiten im «Power Sharing»-Modus, sodass die Nennleistung beliebig auf die beiden Ausgänge verteilt werden kann. Weitere Unterschiede gibt es bei der Isolation. Die Module RKZ-xx1509D und RGZ-xx1509D gibt es mit Isolationsspannungen von 3 und 4 kVDC. RxxP21509D, RxxP22005D und RxxP21503D sind bis 5,2 kVDC isoliert. Noch höher ist die Isolation beim RV-xx1509D mit 6 kVDC.
Infoservice
Recom Electronic GmbH & Co KG
Carl-Ulrich-Str. 4, DE-63263 Neu-Isenburg
Tel. 0049 6102 883 810, Fax 0049 6102 883 81 61
www.recom-power.com/gate-drivers
