Mit seinen guten Eigenschaften ist Siliziumkarbid (SiC) für Leistungshalbleiter in AC/DC-Wandlern eine vielversprechende Lösung. Eine diskrete Implementierung benötigte bisher aber viele Bauelemente und galt daher als schwierig. Es gab aber keinen Controller, der die vorteilhaften Eigenschaften von SiC wirklich ausschöpfen konnte, vor allem passte die Abstimmung der Gate-Treiber nicht. Mit einem neuen Baustein vereinfacht Rohm nun die Implementierung von AC/DC-Wandlern mit SiC-MOSFETs.

Bild 1: Durch den Einsatz der SiC-Technologie können Entwickler die Effizienz von AC/DC-Wandlern deutlich erhöhen.

Bild 1: Durch den Einsatz der SiC-Technologie können Entwickler die Effizienz von AC/DC-Wandlern deutlich erhöhen. Rohm

Die höhere dielektrische Feldstärke von Siliziumkarbid ermöglicht eine dünnere Schichtstruktur und verringert damit den Oberflächenwiderstand. In Verbindung mit der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit sind bis zu 6 % geringere Schalt- und Leitungsverluste möglich (Bild 1) als bei Silizium-Komponenten (Si). Ein weiterer Vorteil von SiC gegenüber Si ist die höhere Spannungsfestigkeit. Wegen der beschränkten Durchbruchspannung von Silizium-MOSFETs müssen Entwickler in Hochspannungsanwendungen zwei oder mehr Transistoren kaskadieren, um die Spannungsbelastung für jeden einzelnen Transistor zu reduzieren. Dies erhöht den effektiven Serienwiderstand und somit die ohmschen Verluste sowie die Größe des Designs.

SiC-Schaltungen erreichen die gleiche Spannungsfestigkeit mit einem einzigen Transistor. Außerdem eignet sich SiC für höhere Leistungen und die Bausteine sind beständiger gegen Temperaturänderungen. Damit werden viele Kühlkörper und Lüfter überflüssig, was Platz spart, das Design vereinfacht und Störgeräusche reduziert. SiC-MOSFETs der dritten Generation unterstützen höhere Schaltfrequenzen und lassen sich damit flexibler anwenden.

Vorteile nutzen

Diese Vorteile auch tatsächlich für eine effizientere Stromwandlung zu nutzen, war bislang schwierig, denn es gab keine Steuerung, die die Leistung des SiC-MOSFETs zufriedenstellend abrufen konnte. Insbesondere waren die Gate-Treiber innerhalb der bestehenden Controller-ICs meist nicht gut auf die Bedürfnisse der neuen Leistungshalbleiter abgestimmt. Da der Gate-Widerstand des SiC-MOSFET größer ist als der von Si-MOSFETs, erfordert die Gate-Treiberschaltung einen geringeren Wechselstromwiderstand und einen angepassten Ausgangsspannungsbereich. Fehlt ein geeigneter Controller, bleibt den Entwicklern nur eine diskrete Steuerung mit Gate-Treiber-Designs. Leider sind Designs mit diskreter Konfiguration aber kompliziert, sehr umfangreich und anfällig. Auch die Stabilität in High-Power-Anwendungen ist schwer zu meistern: Eine verbesserte Leistungsdichte führt gewöhnlich zu erhöhter Temperatur im Umfeld des Leistungshalbleiters.

Tabelle 1: IC-Varianten innerhalb der BD7682FJ-Produktfamilie.

Tabelle 1: IC-Varianten innerhalb der BD7682FJ-Produktfamilie. Rohm

Um all diesen Herausforderungen zu begegnen, hat Rohm seine bewährte Analog-Technologie mit SiC-Leistungshalbleiter-Know-how kombiniert und mit der BD768xFJ-LB-Produktfamilie die ersten AC/DC-Wandler-Controller der Branche speziell für den Einsatz mit SiC-MOSFETs entwickelt. Der hauseigene BiCDMOS-Prozess ermöglicht es, mehrere Technologien in einem Chip zu kombinieren. Durch die lange SiC-Historie gelang es zudem, Gate-Treiber, MOSFETs und Controller perfekt aufeinander abzustimmen. Die BD768xFJ-LB-Wandler sind in einem kompakten SOP-J8 erhältlich.

Eine Übersicht über die IC-Varianten innerhalb der Produktfamilie ist in Tabelle 1 dargestellt; sie unterscheiden sich im Reset-Verhalten nach dem Aktivieren der integrierten Schutzfunktionen. Im Folgenden dient der BD7682FJ als Beispiel aus dieser Produktfamilie. Bild 2 zeigt das Blockdiagramm dieses Bausteins in Flyback-Konfiguration zusammen mit den in dieser Anwendung benötigten externen Komponenten.

Bild 2: Blockdiagramm des BD768xFJ mit externen Komponenten in typischer Anwendung.

Bild 2: Blockdiagramm des BD768xFJ mit externen Komponenten in typischer Anwendung. Rohm

Einfacher ansteuern

Der BD7682FJ-LB erleichtert das Ansteuern der SiC-MOSFETs und ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad. Dies wird insbesondere durch quasiresonanten Betrieb möglich: Der Quasiresonanzwandler ist ein Sperrwandler, der die Spannungsresonanz der Primärwicklung des Transformators und des Resonanzkondensators nutzt, um genau bei Nullstrom und minimaler Spannung zu kommutieren und dadurch Verluste und Störgeräusche deutlich zu reduzieren.

Die MOSFET-Gate-Schaltung beeinflusst die Verluste des MOSFET und den Geräuschpegel. Die Schaltverluste des Quasiresonanzwandlers während der Einschaltzeit sind im Wesentlichen Null, da diese Verluste vorwiegend beim Abschalten auftreten. Um Schaltverluste beim Ausschalten zu reduzieren, kann man die Abschaltgeschwindigkeit durch einen geringeren Widerstandswert beschleunigen, aber dann treten extreme Stromveränderungen auf und das Schaltrauschen nimmt zu. Da es einen Zusammenhang zwischen Verlusten (Wärmeerzeugung) und Rauschen gibt, müssen Hersteller den Temperaturanstieg und das Rauschen des MOSFET beim Einbauen messen und, falls nötig, anpassen. Da ein Impulsstrom an den Widerstand fließt, müssen sie die Impulswiderstände der Komponenten ebenfalls überprüfen.

Bild 3: Das Wandler-IC passt die Schaltfrequenz und den Betriebsmodus (DCM/BCM) fortwährend an die jeweilige Last an.

Bild 3: Das Wandler-IC passt die Schaltfrequenz und den Betriebsmodus (DCM/BCM) fortwährend an die jeweilige Last an. Rohm

Im Vergleich zu einem PWM-Sperrwandler generiert der Quasiresonanzmodus der Rohm-Lösung wesentlich weniger Verlustleistung und ein geringeres Rauschen. Die hohen Schaltfrequenzen bis 120 kHz verbessern den Wirkungsgrad weiter. Unter kleiner Last schaltet der Baustein auf einen speziellen Niedriglastmodus (Discontinuous Conduction Mode, DCM) mit niedriger Schaltfrequenz. Mit zunehmender Last erhöht sich die Schaltfrequenz entsprechend, bis die Last größer wird als das, was gemeinhin als Schwachlastbetrieb gilt. Um die volle Leistung bereitzustellen, schaltet der quasiresonante Wandler in den Leistungsmodus (Boundary Conduction Mode, BCM). Diese dynamische Anpassung der Betriebsmodi (Bild 3) sorgt für eine hohe Effizienz über einen breiten Ausgangsleistungsbereich.

Da Siliziumkarbid-MOSFETs höhere Gate-Spannungen als IGBTs benötigen, stellt der BD7682FJ am Gate-Treiber-Ausgang eine Spannung von über 22 V bereit und ermöglicht so das Ansteuern jeder SiC-basierenden Schaltung.

Schutzfunktionen

Der BD7682FJ bietet verschiedene Schutzfunktionen wie Softstart, Überstrombegrenzung, Überspannungs-, Überlast- sowie Brown-Out-Schutz. Wenn die Eingangsspannung sehr hoch wird, senkt der Baustein die Einschaltzeit des MOSFET und erhöht die Betriebsfrequenz. Eine strombegrenzende Schaltung mit einer konstanten Referenz würde als Folge davon einen zu hohen Überstrom zulassen. Der BD7682FJ erkennt jedoch diesen Betriebszustand und passt das Limit entsprechend an. Bricht hingegen die Eingangsspannung (kurzzeitig) ein, würde dies zu einer sehr langen Einschaltzeit führen und damit zu einer übermäßigen Erwärmung des MOSFET. Diesen Störfall erkennt der Brown-Out-Monitor rechtzeitig und schaltet die DC/DC-Funktion zum Schutz des MOSFET aus.

Eckdaten

Der BD7682FJ-LB ist der weltweit erste, für SiC-MOSFETs optimierte AC/DC-Controller. Er basiert auf einer für SiC-MOSFETs optimierten Gate-Treiber-Schaltung. Ein quasiresonantes System senkt gegenüber konventionellen PWM-Methoden das Rauschen. Das Resultat ist ein breiter Spannungsbereich von 12 bis 80 V, bessere Stromkontrolle sowie höhere Effizienz bei geringer sowie hoher Last. Verglichen mit konventionellen Silizium-MOSFETs kann sich die Energieeffizienz um bis zu 6 % erhöhen. Schutzschaltungen ermöglichen den Hochspannungsbetrieb in AC/DC-Wandlern mit bis zu 690 VAC – optimale Voraussetzungen also für 400 VAC Betriebsspannung und den Dauerbetrieb in industriellen Anlagen.

Darüber hinaus passt der BD7682FJ bei schwankender Eingangsspannung seine Stromsteuerung an und die Burst-Modus-Funktion reduziert den Eingangsstrom bei geringer Leistung. Eine spezielle Gate-Klemmschaltung sorgt für eine optimale Ansteuerung des SiC-MOSFET. Der Baustein begrenzt die Ausgangsspannung, um die Gate-Spannung des MOSFET exakt zu definieren. Der Quasiresonanzbetrieb ermöglicht darüber hinaus ein weiches Schalten und hilft, die elektromagnetischen Interferenzen (EMI) gering zu halten. Die Verwendung eines externen Schalt-MOSFET und externer Stromerfassungswiderstände lässt Entwicklern einen großen Spielraum, während die Burst-Modus-Funktion und die verringerte Schaltfrequenz bei geringer Last die Energiebilanz verbessern.

Passend dimensionieren

Beim Dimensionieren des SiC-MOSFET müssen Entwickler die maximale Spannung zwischen Drain und Source, Spitzenstrom, Verluste aufgrund von RON und die maximale Gesamtverlustleistung des Gehäuses berücksichtigen. Bei niedrigerer Eingangsspannung verlängert sich die Einschaltzeit des MOSFET und die Abwärme durch ohmsche Verluste nimmt zu. Daher sollte man zur Sicherheit die Temperatur des MOSFET in der tatsächlichen Anwendung überprüfen sowie gegebenenfalls einen externen Kühlkörper hinzufügen. Der SiC-MOSFET SCT2H12NZ von Rohm bietet zum Beispiel aufgrund der hohen Drain-Source-Durchbruchspannung von 1700 V mit gleichgerichteten Eingangsspannungen bis 1000 VDC immer noch ausreichend Sicherheitsmarge für Spannungsspitzen. Gleichzeitig zeichnet den MOSFET eine hohe kontinuierliche Stromtragfähigkeit von 3,7 A aus, womit er sich für Anwendungen mit Ausgangsleistungen bis 50 W mit empfohlener Sicherheitsmarge eignet. Die Durchbruchspannung des Eingangskondensators sollte mit einem Faktor von mindestens 1,3 über der maximalen Eingangsspannung liegen.

Für die Ausgangsgleichrichtung eignet sich eine Hochgeschwindigkeitsdiode (Schottky-Diode oder schnelle Freilaufdiode). Auch hier empfehlen sich Nennwerte mit entsprechendem Sicherheitsfaktor, um Spannung und Strom nur zu 70 % und 50 % zu belasten. Die Ausgangskondensatoren sind auf Basis der zulässigen Peak-to-Peak-Rippelspannung der Ausgangslast ΔVPP und des Rippelstroms zu bestimmen. Aus der gewünschten maximalen Restrippelspannung lässt sich mithilfe von Transformatorprimärstrom und Windungsverhältnis der maximal zulässige äquivalente Serienwiderstand (ESR) des Ausgangskondensators bestimmen. Dabei ist auch darauf zu achten, dass man Werte aus dem Datenblatt auf die berechnete AC/DC-Wandler-Schaltfrequenz skalieren muss. Aus diesen Größen lässt sich mithilfe des Tastverhältnisses der Rippelstrom berechnen, für den der Kondensator ausgelegt sein muss. Die Spannungsfestigkeit des Kondensators sollte etwa das Doppelte der Ausgangsspannung betragen. Ein zusätzlicher LC-Filter kann das Ausgangsrauschen abschwächen.

Bild 4: Leistungseffizienz eines 50-W-Referenzdesigns mit dem AC/DC-Controller BD7682FJ und SiC-MOSFETs.

Bild 4: Leistungseffizienz eines 50-W-Referenzdesigns mit dem AC/DC-Controller BD7682FJ und SiC-MOSFETs. Rohm

Unter Berücksichtigung dieser Design-Aspekte hat Rohm ein Referenzdesign mit dem BD7682FJ entwickelt, das eine Dreiphasenwechselspannung in eine 24-V-Gleichspannung mit über 50 W Ausgangsleistung umsetzt. Bei kompakter Baugröße erreicht das Design über einen weiten Lastbereich hohe Effizienzwerte von über 90 % (Bild 4).

Gemeinsam stark

In zahlreichen industriellen Hochspannungsanlagen spielen Wirkungsgrad, Gewicht und Baufläche eine immer bedeutendere Rolle, in der Produktentstehung sollen Design- und Produktionsaufwand sowie Kosten gering bleiben und gleichzeitig hohe Betriebssicherheit garantiert sein. Durch eine spezielle Geometrie der unterschiedlich dotierten Halbleiterzone, vergrößerte Grenzschichtflächen sowie innere E-Feld-Verteilung hat Rohm die Leistungs- und Schaltcharakteristiken der SiC-Leistungsbausteine der dritten Generation optimiert und die einzelnen Leistungskomponenten optimal aufeinander abgestimmt. Insgesamt lassen sich dadurch Schaltspannungen, ‑ströme und -frequenzen deutlich erhöhen, Verlustleistungen verringern und Temperaturabhängigkeiten besser kompensieren.