Die Leistungselektronik teilt sich oftmals in einen Steuer- und einen Leistungsbereich, wobei die Bauteile der Leistungsausgangsstufe stark auf die Eigenschaften der gesamten Anwendung, wie Wirkungsgrad, Robustheit oder Stör­emission, Einfluss nehmen. Eine gute Abstimmung der Leistungsstufe gewährleistet eine höhere Leistungsfähigkeit und Robustheit sowie größere Design-Toleranzen. Für den Gate-Treiber vergleicht dieser Artikel unterschiedliche Optionen wie Halbbrücken-Treiber, Lowside-Treiber mit Verzögerungsanpassung oder optisch isolierte Gate-Treiber mit diskreten Lösungen. Für die Leistungsstufe erklärt der Beitrag die wichtigsten Entscheidungskriterien für verschiedene Leistungsschalter-Technologien anhand von praktischen Beispielen. Auch die Feinabstimmung der Treiberstufe für die Leistungsschalter spielt eine entscheidende Rolle im Optimierungsprozess eines Systems.

Systemtrends in der Leistungselektronik

Bild 1: Ein Leistungselektronik-Subsystem umfasst in der Regel verschiedene  Funktionen.

Bild 1: Ein Leistungselektronik-Subsystem umfasst in der Regel verschiedene Funktionen.Fairchild

In der Leistungselektronik gibt es zwei Arten von Leistungssubsystemen: die Leistungsumwandlung und die Bewegungssteuerung. Zu Ersteren gehören AC/DC-Wandler und Stromversorgungen, zu den Zweiten die Wechselrichter oder Frequenzwandler. Beide profitieren von drei Faktoren, welche die Entwicklung bestimmen, nämlich die Leistungsfähigkeit der Komponenten, die immer höhere Integration sowie die Lösungs- und Design-Unterstützung. Die Leistungsfähigkeit der Controller, Gate-Treiber und Leistungsschalter ist entscheidend für eine zunehmende Leistungsfähigkeit. Das Verbessern des Wirkungsgrads und das Reduzieren der Standby-Leistungsaufnahme können nur mit innovativen Technologien für die Leistungsschalter sowie neuen Merkmalen für die Controller erreicht werden. Damit lässt sich dann nicht nur eine bessere Leistung bei bestehenden Topologien, sondern auch eine Implementierung von neuen Topologien erreichen (Bild 1). Ein Beispiel: der zunehmende Einsatz von quasi resonanten Stromversorgungen. Ermöglicht wird dies etwa durch den von Fairchild entwickelten PWM-Controller FAN6300.

Effiziente Partitionierung

Bild 2: Die Leistungsausgangsstufe zu optimieren, erfordert eine gründliche Analyse der Komponenten und ihrer Leistungsmerkmale.

Bild 2: Die Leistungsausgangsstufe zu optimieren, erfordert eine gründliche Analyse der Komponenten und ihrer Leistungsmerkmale.Fairchild

Das Optimieren der Leistungsausgangsstufe erfordert eine gründliche Analyse der Komponenten und ihrer Leistungsmerkmale, nicht nur im Hinblick auf die reinen Leistungswerte, wie Leitungs- oder Schaltverluste, sondern auch unter Berücksichtigung der Integration mit anderen Bauteilen. Ohne diese Optimierung sind größere Design-Toleranzen notwendig und die Vorteile moderner Komponenten lassen sich nicht nutzen (Bild 2). Ein Beispiel: der Einsatz von Superjunction-Mosfets, die nur eine Reduzierung der Verlustleistung ermöglichen, wenn unter anderem auch das Layout der Leiterplatte verbessert wird, so dass sich die mit diesen Bauteilen möglichen höheren Schaltgeschwindigkeiten auch erreichen lassen. Für den Entwicklungsingenieur ist die Auswahl nicht schwierig, da viele unterschiedliche Komponenten verfügbar sind.

Beispiele für Leistungsausgangsstufen

In beiden oben erwähnten Subsystemen wird die Leistung mit einer relativ hohen Frequenz geschaltet – dieser Artikel betrachtet allerdings keine Anwendungen, bei denen das Schalten in einem direkten Bezug zum Systemstatus steht, also wie bei einem Notschalter, Ein-/Ausschalter oder Ähnlichem. Die hohe Schaltfrequenz ist gewollt, um die Größe der benötigten passiven Bauteile zu reduzieren, allerdings steigen gleichzeitig die Schaltverluste an. Daher muss ein guter Kompromiss zwischen den Kosten der Leistungsschalter und den Schaltverlusten auf der einen Seite sowie dem Einsparungspotenzial für passive Komponenten und den damit verbundenen Verlustkomponenten auf der anderen Seite, gefunden werden. Höhere Schaltfrequenzen können auch das dynamische Lastverhalten verbessern, was ein Systemvorteil ausmachen kann.

Auf einen Blick

Die Optimierung der Leistungsausgangsstufe ist eine komplexe Aufgabe mit vielen Möglichkeiten auf der Bauteilebene. Um eine ideale Zusammenarbeit der einzelnen Komponenten zu erreichen, ist die Feinabstimmung von Leistungsschaltern und den Gate-Treibern im System maßgeblich.

In den meisten Fällen werden die Leistungsschalter nicht nur mit Masse, sondern auch mit dem Eingang der Versorgungsspannung oder der Bus-Spannung verbunden. Da diese Schalter mit einer Gate-Ansteuerungsspannung mit Bezug zum Source- oder Emitter-Pin angesteuert werden müssen, wird ein so genannter potenzialfreier Treiber benötigt. Dies kann durch einen Sperrschicht-isolierten Treiber wie einem monolithischen Gate-Treiber, zum Beispiel den FAN7080 oder mit einer optoelektronischen Isolierung wie der FOD3120 (beide von Fairchild), erreicht werden. Für Bewegungssteuerungen können intelligente Leistungsmodule interessant sein, bei denen die Leistungsschalter mit den Gate-Treibern integriert werden. Dadurch erzielt man eine höhere Zuverlässigkeit, eine bessere Optimierung der Komponenten, ein kleinerer Formfaktor, bessere Design-Flexibilität und erweiterte Schutzfunktionen. Intelligente Leistungsmodule bieten viele Vorteile, wie eine straffe Integration sowie eine Anpassung der Elemente, die in der Leistungsausgangsstufe enthalten sind.

Auswahlkriterien für die Komponenten

Die zwei wichtigsten Faktoren für die Auswahl von IGBTs sowie Mosfets als Hauptschalter sind die Schalt- und Leitungsverluste. Die Anwendung bestimmt die maximalen Spannungen und Ströme, aber auch die erforderlichen Schaltfrequenzen. Für hohe Schaltfrequenzen und/oder niedrigere Ströme bis 10 bis 20 A werden üblicherweise Mosfets genutzt, während für mittlere bis niedrige Schaltfrequenzen IGBTs zum Einsatz kommen – besonders für höhere Ströme. Tabelle 1 veranschaulicht die Unterschiede zwischen den Schaltertechnologien.

Tabelle 1: Unterschiede zwischen den Schaltertechnologien

Tabelle 1: Unterschiede zwischen den SchaltertechnologienFairchild

Spezielle Gate-Treiber, die große Spitzenströme liefern können – der FAN3222 stellt bis zu 11 A / 12 A (Senke / Quelle) bereit – steuern die Schalter an. Zudem müssen die Treiber das Gate sicher klemmen, wenn der Schalter im Sperrbereich bleiben soll. Es ist wichtig, den richtigen Gate-Treiber-Spitzenstrom auszuwählen – höhere Ströme bringen keinen nennenswerten Vorteil im Hinblick auf den Wirkungsgrad, sondern können ein hohes Spannungsüberschwingen und EMI-Probleme im System verursachen. Dies wird durch die schnellen Flanken bewirkt, die starke harmonische Störungen enthalten. Die verschiedenen Gate-Treiberfamilien (Tabelle 2) bestehen aus monolithischen Halbbrücken oder Highside-Gate-Treiber für die meisten Anwendungen ohne elektrische Isolierung, optisch-isolierten Gate-Treiber mit erstklassiger Störungsimmunität und Lowside-Treiber mit ausgezeichnetem Zeitverhalten für Hochleistungsanwendungen, einschließlich der Ansteuerung von Impulsübertragern.

Tabelle 2: Gate-Treiberfamilien und ihre Merkmale

Tabelle 2: Gate-Treiberfamilien und ihre MerkmaleFairchild

Tabelle 2 zeigt die verschiedenen Gate-Treiberfamilien und ihre Merkmale und führt die Einsatzgebiete auf.

Auf Systemebene optimieren

Zu den wichtigsten, für eine Optimierung der Leistungsausgangsstufe zu berücksichtigenden Apekten, gehört natürlich die Leistungseffizienz, welche die Lebensdauerkosten beeinflusst, aber auch die Größe und Kosten, die von allen drei Schlüsselfaktoren (Bild 1) beeinflusst werden. Darüber hinaus müssen noch weitere Kriterien in industriellen Elektronikanwendungen betrachtet werden, insbesondere die Robustheit, also der Schutz und kontinuierliche Betrieb bei abnormen Systembedingungen, die Zuverlässigkeit, die den Betrieb ohne Ausfall über eine lange Lebensdauer angibt und die Umgebungsbedingungen. Diese zusätzlichen Anforderungen beeinflussen die thermischen, elektrischen und Layout-Aspekte des Designs, wobei außerdem das EMI-Verhalten betrachtet werden muss.

Bild 3: Das Layout zeigt zwei parallele Mosfets auf dem gleichen Kühlkörper.

Bild 3: Das Layout zeigt zwei parallele Mosfets auf dem gleichen Kühlkörper.Fairchild

Bild 3 zeigt das Layout einer Leistungsstufe für eine Stromversorgung mit hoher Dichte, in der zwei parallele Mosfets auf dem gleichen Kühlkörper eingesetzt werden. Um das Schaltverhalten zu verbessern, wurden die Gate-Ansteuerungsschaltungen (hier mit Einzelbauelementen) sehr nahe am zu steuernden Leistungsschalter untergebracht. Dies hat folgende Gründe:

  • Die Stromschleife des Gate-Treibers verbessern, um sie so klein wie möglich zu halten,
  • Die parasitäre Gate-Drain-Kapazität reduzieren, um parasitäre Schwingungen zu verhindern,
  • Die Gate-Ansteuerungsimpedanz so nahe wie möglich am Gate ausrichten, um ebenfalls parasitäre Schwingungen zu ­vermeiden.

Die Treiberschaltungen wird mit den SMD-Komponenten auf der unteren Seite der Leiterplatte implementiert (Bild 3). Das vollständig symmetrische Layout der beiden Leistungsstufen gewährleistet ein identisches Schaltverhalten in beiden parallelen Pfaden sowie die Trennung der Leistungsmasse und der Treiber-Masse bis zum Ausgangs-Pin.