Künftige SiC- und GaN-Leistungsschalter haben das Potenzial, in vielen Anwendungsbereichen enorme Fortschritte zu bewirken – angefangen bei der Erzeugung immer größerer Mengen erneuerbarer Energie bis hin zum Elektrofahrzeug. Um von den Vorteilen dieser Bauelemente zu profitieren, ist die Entwicklung wesentlich leistungsfähigerer Systeme zum Treiben von Schaltern notwendig. Die eigentliche schaltorientierte Betrachtungsweise wandelt sich zu einem deutlich umfassenderen Systemlösungskonzept.

Leistungswandlerentwicklungen bewegen sich von reinen Silizium-IGBTs über eine Vielzahl von Anwendungen hin zum SiC- und GaN-Schalter. Manche Marktsegmente, beispielsweise Motorumrichter, setzen aktuelle Technologien schleppender ein als andere, während Märkte wie Solar-Inverter und Antriebsumrichter für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle Traction Inverter) und Ladeequipment eine Schlüsselrolle bei Innovationen spielen. Für den Solarmarkt wird für die nächsten fünf Jahre ein sehr positives durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) von 10 % prognostiziert, während die Preise für PV-Systeme Prognosen zufolge um weitere 20 % sinken sollen.

Technologische Verbesserungen der Elektronikkomponenten in PV-Invertern ermöglichen und treiben diese Entwicklung. SiC- und GaN-Schalter benötigen ein Systemkonzept, bei dem die nächste Generation von Gatetreiber-ICs mit robuster On-Board-Isolation, Mess-ICs, Stromversorgungscontroller und hochintegrierte Embedded-Prozessoren zur Handhabung der komplexen, mehrstufigen Leistungsschleifen zum Einsatz kommen.

Klein, leicht und kostengünstig

Eck-Daten

Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen und in Energiespeichersystemen sind ein typisches Anwendungsfeld von Leistungsschaltern. Um Systeme kompakter und damit kostengünstiger zu gestalten, kommen vermehrt Schalter auf SiC- oder GaN-Basis zum Einsatz, da diese höhere Schaltfrequenzen zulassen als Bauelemente auf Basis von Silizium. Um jedoch die Vorteile dieser Komponenten effektiv nutzen zu können ist es wichtig, in einem IC-Ökosystem alle Komponenten aufeinander abzustimmen. In der Übergangszeit hin zu reinen SiC- oder GaN-Systemen müssen jedoch auch gemischte Topologien dabei berücksichtigt werden. Besonders dort, wo es auf sehr hohe Schaltfrequenzen ankommt, sind Gate-Treiber mit niedrigen Laufzeitverzögerungen, Entsättigungsschutz und eine geeignete Stromversorgung notwendig. Hohe Ansprüche muss der Entwickler auch an die Systemsteuereinheiten stellen, denn diese müssen in der Lage sein, mehrere schnelle Steuerschleifen parallel zu betreiben und außerdem die entsprechenden Sicherheitsfunktionen beherrschen.

Innovative Technologien bei Leistungsschaltern (SiC- und GaN-Schalter) ermöglichen es, die Schaltfrequenzen zu erhöhen und kleinere Spulen sowie Kondensatoren einzusetzen. Außerdem verlangen die Technologien genauere, schnellere und energieeffizientere Mess-, Steuer- und Treiber-ICs. Strang-Inverter mit 1500 VDC und 30 bis 100 kW Leistung für den Einsatz in der Energieversorgung  sollen Schätzungen zufolge bis 2021 von allen Utility-Scale-Invertern mehr als 90 % Marktanteil gewinnen.

Aktuelle Applikationen wie Elektrofahrzeuge (EVs) und Energiespeichersysteme (ESS) steigern die Nachfrage nach effizienten SiC-Leistungskonvertern für große Leistungsdichten und hohe Frequenzen. On-Board-Antriebsmotoren orientieren sich an der höchsten Leistungsdichte, um den Platzbedarf sowie das Gewicht zu reduzieren und neue Effizienzrekorde zu erreichen, während schnelles Off-Board-Ladeequipment in Richtung hohe Spannungen (bis zu 2000 VDC, >150 kW) und komplexe Hochfrequenztopologien blickt. Dies alles senkt die Systemkosten bei magnetischen und mechanischen Bauteilen sowie bei der Fertigung.

Zusätzlich treiben Anwendungen wie beispielsweise Energiespeicher die Entwicklung von innovativen Mehrkern-Steuerungsprozessoren voran, die komplexe Steueralgorithmen beherrschen und im bidirektionalen Betrieb – vom Versorgungsnetz zur DC-Last und umgekehrt – Systemeffizienz und Stabilität sicherstellen.

Gemischte Topologien berücksichtigen

Bild 1: Um die Vorteile von SiC- und GaN-MOSFETs effizient nutzen zu können, ist ein komplettes IC-Ökosystem notwendig.

Bild 1: Um die Vorteile von SiC- und GaN-MOSFETs effizient nutzen zu können, ist ein komplettes IC-Ökosystem notwendig. Analog Devices

Zum Treiben von Leistungssystemen auf Basis der SiC- und GaN-Schalter ist ein komplettes IC-Ökosystem (Bild 1) erforderlich, dessen Bauteile genau aufeinander abgestimmt sind. Das Augenmerk liegt nicht mehr länger nur auf dem Thema “Schalterorientiert”, sondern muss sich auf eine höhere Stufe richten. Die Arbeitsfrequenzen sowie die Effizienzvorgaben und die Komplexität der Topologie verlangen in ihrer Klasse isolierte Gatetreiber wie den ADuM4135, angetrieben durch einen isolierten Stromversorgungsschaltkreis wie zum Beispiel den LT3999.

Die Steuerung muss ein Steuerungsprozessor mit mehreren Kernen übernehmen, der ein aktuelles Analog-Frontend und Sicherheitsfunktionen enthält. Die Kompaktheit des Designs ist mithilfe von Messspannungen mit energieeffizienten, isolierten Sigma-Delta-Wandlern erreichbar. In der Übergangsphase von Si-IGBTs auf SiC-MOSFETs müssen gemischte Topologien berücksichtigt werden, in denen SiC-MOSFETs für die hochfrequenten und Si-IGBTs für die niederfrequenten Schalter zum Einsatz kommen. Isolierte Gatetreiber müssen in der Lage sein, Schalter mit unterschiedlichen Anforderungen und in Multi-Level-Konfiguration zu treiben.

Kunden wünschen sich ein Bauteil, das die Anforderungen all ihrer Anwendungen erfüllt und somit die Stückliste vereinfacht und die Kosten senkt. Hohe Arbeitsspannungen von über 1500 VDC (beispielsweise 2000 VDC zum Speichern von Energie in großem Umfang) lassen sich mit Multi-Level-Wandlern einfach erreichen, stellen jedoch eine große Herausforderung für die Isolationsstrecken dar, die aus Sicherheitsgründen implementiert sind.

 

Auf der folgenden Seite stellt der Beitrag die iCoupler-Technologie vor und beschreibt, warum die Minimierung der Laufzeitverzögerungen wichtig ist.

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