Ein kurzer Streifzug durch die Welt neuer Leistungselektronik-Bauteile

Die Halbleitertechnologien auf Basis von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumcarbid (SiC) erlauben größere Schaltspannungen und -ströme bei höheren Schaltfrequenzen und mit geringerer Verlustleistung. Für Chiphersteller eröffnen sich damit neue Möglichkeiten, die Leistungsdichte von Halbleiterbausteinen verglichen zu Siliziumbausteinen in gleicher Baugröße enorm zu steigern. So erlauben Sinterverbindungen gegenüber der herkömmlichen Lötverbindung zwischen Trägersubstratt und Die innerhalb von Powermodulen deutlich höhere Betriebstemperaturen und damit mehr Leistungsdichte und höhere mechanische Stabilität. Allerdings erfordern das thermische Verhalten und die hohen Schaltgeschwindigkeiten von GaN- und SiC-Bausteinen neue Die- und Gehäuse-Designs mit zusätzlich sehr induktivitätsarmen Zuleitungen. Weil auch die Entwicklungszeiten in der Leistungselektronik immer kürzer werden, kommen Chiphersteller Entwicklern zunehmend mit multifunktionalen und hoch integrierten Leistungselektronikschaltungen entgegen. Einige der Innovationen auf diesem Gebiet beschreibt die Redaktion in diesem Beitrag.

X-GaN-Gate-Treiber verkleinern Leistungsschaltwandler

Der neue X-GaN-Gate-Treiber lässt sich fein steuern und reduziert den Designaufwand. Panasonic

Nachdem GaN nun von einer innovativen Technologie in die Massenproduktion übergeht, betätigt sich auch Panasonic in der Entwicklung konkreter Anwendungen auf diesem Gebiet. Der neue X-GaN-Gate-Treiber ist für hohe Schaltfrequenzen optimiert und erschließt den vollen Leistungsumfang des X-GaN-Transistors. Er lässt sich sehr fein steuern (0,5 bis 99,5 % bei 50 kHz) und reduziert den Designaufwand auf ein Minimum. Das Bauelement profitiert von einer integrierten Stromquelle mit hoher Genauigkeit, die für GIT-Transistoren optimiert wurde, sowie von einer integrierten Quelle für negative Steuerspannung. Auch entwickelt das Unternehmen andere Anwendungen in GaN-Technologie, wie kompakte Stromversorgungsmodule und Inverter für Motoren, die in ihrer kleinsten Ausführung sogar im Gehäuse eines Servomotors integriert werden konnten. Panasonic bietet Entwicklern auch eine GaN-Evaluierungsumgebung, GaN-Leistungshalbleiter und Leistungsmodule auf GaN- und SiC-Basis.

Derzeitige Eigenentwicklungen sind ein bidirektionaler AC/DC-Wandler für Energiespeichersysteme auf SiC-Basis und der Prototyp eines Assistenzroboters auf Basis der X-GaN-Technologie. Den Power-Assist-Anzug für den industriellen Gebrauch entwickelte die unternehmenseigene Venture-Firma Active-Link. Die eingesetzte Invertertechnologien von X-GaN ermöglicht es, die Motorunterstützung direkt an die Motorik des menschlichen Körpers anzupassen.

Bare-Die-IGBTs für (H)EV

Bare-Die-IGBTs sowie -Dioden eignen sich besonders für Traktionsumrichter von hybriden und elektrischen Fahrzeugen. Fairchild

Für den Automotive-Bereich biete Fairchild neue diskrete und Bare-Die-IGBTs sowie -Dioden an. Sie eignen sich besonders für Traktionsumrichter von hybriden (HEV) und elektrischen Fahrzeugen (EV), welche elektrische Energie der HV-Batterie in Drehstrom für die Antriebseinheit umwandeln. Die neuen IGBTs verwenden eine Field-Stop-Trench-Technologie und enthalten eine schnelle Soft-Recovery-Diode. Sie entsprechen den Automotive-Standards und enthalten zusätzlichen Funktionen und Optionen. Mit einer Best-in-Class Durchbruchspannung von über 650 V sind die Bausteine robust gegen elektrische Überlastung. Die Bare-Die-IGBTs sind auch mit monolithisch integrierten Strom- und Temperatur-Sensing-Funktionen verfügbar, um zusätzliche Schutzebenen zu schaffen.

Fairchild erweitert derzeit außerdem sein Portfolio durch die Entwicklung eines neuen Automotive-Moduls, welches IGBTs, Freilaufdioden und Gate-Treiber in einem einzigen elektrisch isolierten Package integriert. Dieses Modul eignet sich gut für die Hilfsaggregate im Fahrzeug wie Ölpumpe und Klimakompressore. Als eine der kleinsten am Markt verfügbare Lösung vereinfacht dieses Modul das Design und den Aufbau von Leistungsstufen mit verbesserter EMI-Performance.

Mixed-Signal-Steuerungsprozessoren für neue PV-Wechselrichter

Die Leistungswandler-Plattform ADSP-CM41x für Photvoltaikanlagen enthält zwei ARM-Cores und emöglicht Sicherheitsredundanz und mehr Funktionsumfang. Analog Devices

In Bereich der Photovoltaik erweitert Analog Devices seine Leistungswandler-Plattform innovative Mixed-Signal-Steuerungsprozessoren. Die Serie ADSP-CM41x ist dafür konzipiert in der Photovoltaik (PV), in Energiespeichern und in der Elektrofahrzeug-Infrastruktur das Systemdesign drastisch zu vereinfachen, Kosten zu senken und gleichzeitig die Effizienz und Sicherheit zu verbessern.

Die neuen Steuerungsprozessoren bieten ein hohes Maß an Hardwareintegration, welches speziell auf PV-Applikationen und weitere neue Energieanwendungen zugeschnitten ist. Ein zentrales Element der ADSP-CM41x-Reihe ist das Sicherheitskonzept mit zwei unabhängigen Cores, denn es erlaubt die Integration von Sicherheitsredundanz und Funktionen in ein und denselben Chip. Die Architektur ist die erste ihrer Art und spart ein erhebliches Maß an Entwicklungszeit und Systemkosten ein, zudem verzichtet sie auf externe überwachende Elemente. Von gleicher Wichtigkeit ist die integrierten optimierten Hardwarebeschleuniger, die den Prozessorkern entlasten und dadurch mehr Verarbeitungsleistung für die Kernfunktionen verfügbar machen. Die inte­grierte Lichtbogenerkennung trägt zusätzlich zur Vereinfachung des Designs bei und sorgt für mehr Sicherheit.

Die Leistungswandler-Plattform setzt einen neuen Maßstab für die Verarbeitungsleistung von ARM-Cores und für analoge Genauigkeit. Sigma-Delta-basierte A/D-Wandler des Typs AD740x, ersetzen größere und teurere Sensormodule und verbessern die isolierte Strommessung. Die auf I-Coupler-Technologie basierenden isolierten Gatetreiber der Serie ADuM413x Schalten sehr schnell und steigern damit den Systemwirkungsgrad.

Energy Harvesting

Energy-Harvesting-Powermanagement-Units der Serie ADP509x können 16 μW bis 100 mW geerntete Energie verarbeiten. Analog Devices

In einer ganz andern Leistungsklasse bietet Analog Devices eine Powermanagement-Unit (PMU) an, die in IoT-Anwendungen mit knapp bemessenem Energiebudget ein schnelleres und effizienteres Energy-Harvesting ermöglicht.

Dank seines besonderen Schaltungsdesigns gehört ADP509x zu den effizientesten Energy-Harvesting-PMUs auf dem Markt. Mit einer sehr kurzen Kaltstartzeit und einem Eigenbedarf < 1 µW kann er geerntete Energie im Bereich von 16 μW bis 100 mW umwandeln. Systeme, die in Zeiten geringen Energieangebots per Energy-Harvesting versorgt werden, müssen häufig zunächst genügend Energie sammeln, bevor sie einschalten und beginnen können, Messwerte aufzunehmen, aufzubereiten und zu übertragen. Dies kann zum Verlust wichtiger Daten führen, den Betrieb bremsen und die Nutzung beeinträchtigen. Die PMU löst dieses Problem mit einem innovativen Multiple-Power-Path-Design, das für ein schnelleres Anlaufen sorgt und einen reibungsloseren Betrieb ermöglicht. Das Powermanagement kann nicht nur bei sehr knappem Energieangebot eine zufriedenstellende Systemfunktion gewährleisten, sondern verwaltet auch Energiespeicher effizient, damit die Energieversorgung auch in Zeiten, in denen kein Energy Harvesting möglich ist, sichergestellt ist.

1200V/180A SiC-Module für hocheffiziente HF-Anwendungen

SiC-Halbbrücken-Power-Module von Rohm für 1200 V / 180 A erreichen 77 % geringere Schaltverluste als herkömmliche IGBT-Module und 42 % weniger als DMOS-SiC-Module. Rohm

Mit den ersten kommerziellen Leistungsmodulen auf Basis der SiC-Technologie hat Rohm Pionierarbeit geleistet bringt nun das auf 1200 V und 180 A ausgelegte SiC-Halbbrücken-Modul BSM180D12P3C007 auf den Markt. Im selben Format wie frühere Module beinhaltet das neue Modul in Massenproduktion hergestellte SiC-MOSFETs mit Trench-Struktur sowie eingebaute SiC-Schottky-Barriere-Dioden (SBD). Die neue UMOS-Struktur besitzt keine JFET-Region und bewirkt einen sehr niedriger Drain-Source-Widerstand, eine hohe Schaltgeschwindigkeit und dank der extrem niedrigen Vorwärtsspannung und sehr schnellen Sperrverzögerungs-Eigenschaften der eingebauten SiC-SBDs nahezu keine Sperrverzögerungs-Verluste. Damit erzielt das neue Modul 77 % geringere Schaltverluste als herkömmliche IGBT-Module und 42 % geringere Schaltverluste als SiC-Module mit DMOS-Struktur. Dies ermöglicht nicht nur einen effitienten Hochfrequenzbetrieb, sondern trägt auch zu kleineren Kühlsystemen und peripheren Komponenten bei, was wiederum größere Energieeinsparungen und eine Endprodukt-Miniaturisierung zur Folge hat.

Einkanal-Gate-Treiber für 1200-V-Anwen­dungen

Für eine solide Ansteuerung von Power-Modulen hat auch Power Integrations eine neue Familie galva­nisch getrennter Einkanal-Gate-Treiber-ICs im Portfolio, die ohne externen Booster Ausgangs­ströme von 2,5 A bis 8 A treiben. Die für die Ansteue­rung von IGBTs und MOSFETs gleichermaßen gut geeigneten Scale-I-Driver-ICs machen erstmals die neue magneto-induktive bidirek­ti­onale Fluxlink-Kommu­ni­ka­tions­techno­logie von Power Integrations für 1200-V-Treiber­anwen­dungen verfüg­bar. Fluxlink macht optoelektronische Bau­teile samt ihrer Kompen­sa­tions­schal­tung entbehrlich, erhöht dadurch die Betriebs­stabi­li­tät und verein­facht die System­archi­tek­tur. Die neuen Gate-Treiber kombi­nieren hohe Iso­lation mit hoch­entwickelten Sicher­heits- und Schutzfunktionen, wie sie für Wechsel­richter­anwen­dungen mit mittleren und hohen Betriebs­spannungen gefordert werden und erhöhen dadurch die Zuver­läs­sig­keit des End­produkts.

(jwa)