Dank ihrer technischen Vorteile und geringeren Kosten eignen sich Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter (SiC) für viele Applikationen wie Motorsteuerungen, Induktionsheizsysteme, Stromversorgungen und erneuerbare Energiesysteme. Ähnlich wie bei Silizium-basierenden Halbleitern wie IGBTs oder Leistungs-MOSFETs sind auch hier Optokoppler notwendig, um die Steuerschaltungen galvanisch zu isolieren und sie vor den hohen Spannungen an den Leistungshalbleitern zu trennen. Optokoppler können ein hohes CMR (Common Mode Noise) abschirmen und verhindern damit eine fehlerhafte Ansteuerung der Leistungshalbleiter während des hochfrequenten Schaltvorganges. Dieser Beitrag zeigt, wie die nächste Generation von Gate-Drive-Optokopplern speziell SiC-MOSFETs schützt.

Die Vorteile von SiC-MOSFETs

Siliziumkarbid ist eine sogenannte Wide-Bandgap-Verbindung (3,2 eV) aus Silizium und Karbon. Wide-Bandgap-SiC kann nicht nur bei hohen Spannungen, Frequenzen und Temperaturen arbeiten, sondern zeigt weitaus niedrigere On-Widerstände und Gate-Ladungen als Silizium. Cree hat in einer Untersuchung beide Technologien verglichen: einerseits die zweite Generation von SiC-MOSFETs mit 1200 V / 20 A und andererseits Silizium-Hochgeschwindigkeits-IGBT H3 mit 1200 V / 40 A. Beide kamen in einem hart schaltenden 10-kW-Interleaved-Boost-DC/DC-Wandler zum Einsatz. Es zeigt sich, dass die SiC-Lösung sogar bei fünffacher Schaltgeschwindigkeit einen Wirkungsgrad von 99,3 % bei 100 kHz erreichte. Die Verluste waren 18 % niedriger als beim besten Wirkungsgrad der IGBT-Lösung bei 20 kHz.

Auf einen Blick

Schnelle SiC-Leistungshalbleiter brauchen schnellere Treiber, um ihre Vorteile ausspielen zu können. Dazu gehören auch Optokoppler, die mit den flinken Signalen schritthalten und nebenbei die Halbleiter vor Defekten durch Kurzschlüsse bewahren. Avago, Böblingen, stellt hier zwei Optokoppler vor und zeigt ihre Auswirkungen auf SiC-MOSFET-Schaltungen.

Mit der aktuellen C2M-MOSFET-Familie bietet Cree 1200- und 1700-V-SiC-MOSFETs für viele Applikationen. Der Hersteller konnte die Kosten im Vergleich zum Vorgänger deutlich senken und dennoch die Schaltleistung verbessern sowie einen niedrigeren RDS(on) erreichen. Mit der höheren Schaltfrequenz genügt eine deutlich kleinere Drossel. Wegen der niedrigeren Leitungs- und Schaltverluste kann der Kühlkörper kleiner ausfallen oder statt Kühlventilatoren genügt eine passive Kühlung. Damit sinken auch die Systemkosten. Obwohl ein SiC-Halbleiter teurer als Silizium ist, können die Materialkosten des Systems niedriger ausfallen.

Markt und Einsatz von SiC-MOSFETs

Die SiC-Technologie gilt heute als zuverlässige Alternative zu Silizium, mehr als 30 Unternehmen weltweit haben sie in ihre Fertigung integriert. Viele weitere Hersteller von Leistungsmodulen und Leistungswandlern haben SiC in ihre Roadmaps für zukünftige Produkte aufgenommen.

Hersteller von Solar-Wechselrichtern und Server-Netzteilen sind die ersten Anwender von SiC-Halbleitern, da hier der Wirkungsgrad bei der Technologiebewertung besonders wichtig ist. 2013 haben wichtige Solar-Wechselrichter-Hersteller wie Refu, SMA und Delta ein neues Modell mit SiC angekündigt. Nach einer Untersuchung ist der Wirkungsgrad beim Umstieg von IGBT auf SiC dabei von 98 auf 99 % gestiegen und das Gewicht um 30 % gesunken. Mit höherer Verfügbarkeit, mehr möglichen Spannungen und niedrigeren Kosten werden SiC-Halbleiter in weitere Applikationen einziehen, etwa Motorantriebe, Schienenverkehr und Hybridfahrzeuge.

Gate-Drive-Optokoppler von Avago Technologies wurden schon immer in der Steuerung von Silizium-Halbleitern wie IGBT eingesetzt. Mit den Verbesserungen der nächsten Generation eignen sie sich auch für die Steuerung und den Schutz von SiC-MOSFETs.

Bild 1: Mit Avagos Gate-Drive-Optokopplern und dem SiC-MOSFET C2M0080120D von Cree lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade erziehlen.

Bild 1: Mit Avagos Gate-Drive-Optokopplern und dem SiC-MOSFET C2M0080120D von Cree lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade erziehlen.Avago

Gate-Treiber-Optokoppler für SiC-MOSFETs

Avago Technologies hat eng mit Cree zusammengearbeitet, um passende Gate-Drive-Optokoppler für SiC-MOSFETs zu definieren. Die Autoren haben die Gate-Drive-Optokoppler ACPL-W346 und ACPL-330J untersucht, und zwar im Einsatz mit C2M SiC-MOSFETs von Cree und einem 8-A-SEPIC-DC-DC-Wandler bei 100 kHz. Das Gate-Steuerungspotenzial entspricht mit 98 % den Anforderungen von Cree an den Wirkungsgrad wie in Bild 1 gezeigt.

Bild 2: Das Signalprofil am Gate des SiC-MOSFET ACPL-W346 zeigt die steilen Signalflanken.

Bild 2: Das Signalprofil am Gate des SiC-MOSFET ACPL-W346 zeigt die steilen Signalflanken.Avago

Der Gate-Treiber muss hohe Ströme und Spannungen mit einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit liefern, um die Gate-Kapazität des SiC-MOSFET zu überwinden. Die Oszilloskop-Darstellung in Bild 2 zeigt den ACPL-W346 mit einem 20-V-Signalprofil mit schnellem Flankenanstieg und Flankenabfall am Gate des SiC-MOSFET. Das ist für verlustarmes Schalten notwendig.

Isoliert und gesteuert

Der ACPL-W346 ist ein Gate-Driver-Optokoppler zur Isolation und Steuerung des SiC-MOSFETs bei hohen DC-Busspannungen. Er hat einen Rail-to-Rail-Ausgang mit maximal 2,5 A Ausgangsstrom. Das Besondere des ACPL-W346 ist die hohe Geschwindigkeit – laut Avago die zur Zeit höchste auf dem Markt. Die maximale Laufzeitverzögerung beträgt 120 ns und die typische Anstiegs- und Abfallzeit liegt bei ungefähr 10 ns. Die sehr hohe CMR (Common Mode Rejection) von 50 kV/µs ist erforderlich, um hohe Störspannungen zu eliminieren, die bei den hohen Frequenzen auftreten können und Fehler auf der Ausgangsseite verursachen würden.

Bild 3: Das Referenzdesign mit dem Optokoppler ACPL-W346 und einem SiC-MOSFET von Cree zeigt, dass sich diese Kombination sehr einfach implementieren lässt.

Bild 3: Das Referenzdesign mit dem Optokoppler ACPL-W346 und einem SiC-MOSFET von Cree zeigt, dass sich diese Kombination sehr einfach implementieren lässt.Avago

In Kombination mit einem bipolaren Strompufferspeicher liefert der ACPL-W346 eine schnell geschaltete hohe Spannung und einen hohen Treiberstrom, der den SiC-MOSFET effektiv und zuverlässig ein- und ausschaltet. Verglichen mit älteren Referenzdesigns mit speziellen MOSFET-Treibern und einem proprietären Schaltkreis ist der ACPL-W346 mit serienmäßigem bipolaren Strompufferspeicher eine preisgünstigere und einfach zu implementierende Gate-Drive-Lösung (Bild 3).

Ansteuerung des SiC-MOSFET

Bild 4: Das Funktionsdiagramm des ACPL-339J, der als Einchip-Lösung SiC-MOSFETs isoliert, ansteuert und schützt.

Bild 4: Das Funktionsdiagramm des ACPL-339J, der als Einchip-Lösung SiC-MOSFETs isoliert, ansteuert und schützt.Avago

Der ACPL-339J ist ein intelligenter Gate-Drive-Optokoppler, der als Einchip-Lösung SiC-MOSFETs isoliert, ansteuert und schützt. Im Funktionsdiagramm in Bild 4 sind Kurzschluss- und Fehlererkennungsfunktionen blau umrahmt. Dieser Gate-Drive-Optokoppler besitzt einen dualen Ausgang und wurde speziell für den Support von MOSFET-Puffern entwickelt (rot umrahmt). Das Bauteil bietet einen Ausgangsspitzenstrom von mindestens 1 A und ist für die Ansteuerung der High- sowie der Low-Side der MOSFET-Pufferstufe optimiert. Er beinhaltet einen internen aktiven Zeitsteuerungs-Schaltkreis und verhindert so Querströme und minimiert Schaltverluste in der MOSFET-Pufferstufe.

Bild 5: Mit MOSFET-Puffern lassen sich sehr kurze Schaltzeiten realisieren, auch wenn der Optokoppler flachere Signalflanken liefert.

Bild 5: Mit MOSFET-Puffern lassen sich sehr kurze Schaltzeiten realisieren, auch wenn der Optokoppler flachere Signalflanken liefert.Avago

Spannungssteuerung

Der Hauptgrund für den Einsatz von MOSFET-Puffern, die aus PMOS- und NMOS-Transistoren bestehen, ist ihre spannungsgesteuerte Funktion. Der Ausgang des MOSFET kann sehr schnell schalten, sobald die Eingangsschwellspannung von typischerweise 1 V überschritten wird. So ist die MOSFET-Puffer-Schaltgeschwindigkeit unabhängig von der Schaltgeschwindigkeit der vorgeschalteten Gate-Drive-Optokopplerstufe (Bild 5): Sobald die Schwelle erreicht ist, schaltet der Puffer und erzeugt damit ein neues, sauberes Steuersignal.

Bild 6: Signalprofil am SiC-MOSFET-Gate beim Einsatz des Optokopplers ACPL-339J und eines MOSFET-Puffers.

Bild 6: Signalprofil am SiC-MOSFET-Gate beim Einsatz des Optokopplers ACPL-339J und eines MOSFET-Puffers.Avago

Die Oszilloskop-Darstellung in Bild 6 zeigt den ACPL-339J mit bidirektionalem Signalprofil und schnellen Auf- und Abfallzeiten am Gate des SiC-MOSFET. Das ist wichtig, um den SiC-MOSFET effizient zu schalten.

Schutz vor Kurzschlüssen

Für einen sicheren Kurzschlussschutz wird die Drain-Source-Spannung des SiC-MOSFET vom ACPL-339J im Normalbetrieb überwacht. Tritt ein Kurzschluss auf, fließen hohe Ströme durch den MOSFET und verursachen einen rapiden Anstieg der Drain-Source-Spannung. Sobald diese den Schwellenwert des ACPL-339J von 8 V überschreitet, wird ein Kurzschluss-Fehler erkannt und eine sanfte Abschaltung eingeleitet. Der VGMOS-Anschluss des ACPL 339J schaltet nun einen externen Transistor, der das Gate des SiC-MOSFET langsam entlädt. Abschließend meldet der Optokoppler den Kurzschluss als FAULT durch den isolierten Rückkopplungspfad zur Steuerung.

Bild 7: Referenzdesign aus dem Optokoppler ACPL-339J und einem SiC-MOSFET von Cree.

Bild 7: Referenzdesign aus dem Optokoppler ACPL-339J und einem SiC-MOSFET von Cree.Avago

Während eines Kurzschlusses kann ein hoher Überlaststrom zusammen mit eventuellen parasitär induzierten Strömen eine hohe Spannungsüberhöhung erzeugen, falls der SiC-MOSFET abrupt abgeschaltet wird. Diese kann die MOSFET-Durchschlagspannung übersteigen. Um eine solche zerstörende Durchschlagspannung zu minimieren, startet der ACPL-339J die weiche Abschaltung, wenn er einen Kurzschluss erkannt hat. Wie schnell das Abschalten abläuft, kann der Entwickler durch einen externen MOSFET und Widerstand (Q3 und R10 in Bild 7)  anpassen.

Bild 8: Oben ist eine harte Abschaltung zu sehen. Sie verursacht überhöhtes VDS-Nachschwingen bei hohen Kurzschlussströmen. Die unten zu sehende sanfte Abschaltung reduziert das VDS-Nachschwingen.

Bild 8: Oben ist eine harte Abschaltung zu sehen. Sie verursacht überhöhtes VDS-Nachschwingen bei hohen Kurzschlussströmen. Die unten zu sehende sanfte Abschaltung reduziert das VDS-Nachschwingen.Avago

Bild 8 zeigt im oberen Kurvenverlauf ein hohes Überschwingen und Nachschwingen über der Drain-Source des SiC-MOSFET bei einer harten (abrupten) Abschaltung während eines Kurzschlusses. Während des Experiments haben die Autoren eine niedrige Busspannung eingesetzt, um den SiC-MOSFET nicht zu zerstören. Die unteren Kurven in Bild 8 zeigen, wie sich die hohe Überspannung unterdrücken lässt, wenn die Kurzschlusserkennung triggert und das Gate sanft abschaltet.

Gute Kombination

Die Experimente zeigen, dass sich der ACPL-339J in der praktischen Anwendung bewährt. Er erlaubt ein einfaches Schaltungsdesign und kümmert sich um wichtige Schutzfunktionen.