Leistungshalbleiter in EV-Ladegeräten sicher einsetzen

Höhere Reichweiten bei Elektrofahrzeugen (EV) verlangen nach kurzen Ladezeiten. Gleichstrom-Ladelösungen mit 150 bis 200 kW laden den Fahrzeugakku innerhalb von 30 Minuten auf 80 Prozent auf. DC-Schnellladestationen können bis zu 400 kW liefern. Leistungshalbleiter-Technologien haben in den letzten zehn Jahren eine sprunghafte Entwicklung durchgemacht und ebnen den Weg zu schnelleren, sichereren und effizienteren Ladegeräte.

Schalter, Wandler und Leistungsstufen

Hochspannungs-Halbleiterschalter, darunter beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und Siliziumkarbid-Transistoren (SiC) lassen eine Erhöhung der Busspannungen in den Systemen auf 800 V oder 1000 V zu. Mit dieser Anhebung der Systemspannungen aber geht die Forderung nach Isolationstechniken einher, die die allgemeine Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten können.

Wenn die Leistungswandler höhere Schaltfrequenzen von einigen hundert Kilohertz bis zu einigen Megahertz erreichen können, lassen sich die induktiven Bauelemente und andere passive Komponenten in den Schaltungen kleiner dimensionieren, was die Systemkosten senkt und der allgemeinen Leistungsdichte zugutekommt. Es besteht somit ein Bedarf an breitbandigen Strom- und Spannungsmesslösungen, um die digitalen Leistungsstufen präzise steuern und auch schützen zu können. Eine Steigerung der Effizienz verlangt nach der Verwendung mehrstufiger, komplexer Leistungsstufen, was im Gegenzug den Einsatz von Gatetreibern mit hoher Isolationsspannung erfordert, um diese Leistungsstufen effizient zu schalten und die insgesamt entstehenden Schaltverluste zu reduzieren. Gleichzeitig ist eine verstärkte Isolation sowie Kurzschlussschutz-Features notwendig.

Warum die Isolation in Ladegeräten so wichtig ist

Die Einhaltung der Sicherheitsnormen hat in EV-Ladegeräten wegen der direkten Anbindung an das öffentliche Stromnetz entscheidende Bedeutung. Isolation ist nicht nur zum Schutz der bedienenden Personen erforderlich, sondern auch, um Prozessoren in Hochspannungs-Leistungswandlersystemen vor Beschädigung zu schützen und zu verhindern, dass es zu Erdschleifen und Potenzialdifferenzen zwischen verschiedenen Kommunikations-Subsystemen kommt. Leistungsregler mit sekundärseitiger Regelungsarchitektur benötigen eine Isolation nicht nur in der Leistungsstufe (mit einem Isolations-Übertrager), sondern auch in der Treiberschaltung und in den zugehörigen Signalaufbereitungs-Schaltungen.

Von den Schaltvorgängen der Leistungswandler erzeugte Störgrößen können sich negativ auf die System-Performance auswirken. Wenn beispielsweise Störungen infolge der Schaltvorgänge im Leistungswandler auftreten, kann eine hohe Anstiegsrate zu Spannungsspitzen auf dem Signalpfad führen und eine Gleichtakt-Spannungsspitze hervorrufen, die einen Isolator mit hohem CMTI-Wert (Common-Mode Transient Immunity) voraussetzt.

Die zunehmenden Spannungen im Gleichspannungs-Zwischenkreis von EV-Ladestationen rücken auch die Bedeutung einer verstärkten Isolation im Interesse der Bedienersicherheit und Zuverlässigkeit in den Blickpunkt. Abhängig von der Betriebsspannung gibt es drei grundlegende Isolationsklassen, nämlich Funktions-Isolation, die Basis-Isolation und die verstärkte Isolation.

Welche Isolationstechniken es für Halbleiter gibt

Für Leistungshalbleiter sind verschiedene Isolationstechniken möglich. Bei der optischen Isolation wird das Licht einer LED über eine transparente, nicht elektrisch leitende Isolationsbarriere übertragen. Die Hauptvorteile dieser Lösung sind der hohe elektrische Isolationswert und das niedrige Kostenniveau. Andererseits weist die optische Isolation lange Signallaufzeiten, eine geringe Störimmunität, eine höhere Ruhestromaufnahme und eine rapide Eigenschaftsverschlechterung des Isolationsmaterials durch Temperatureinflüsse und Alterung auf. Diese Mängel schränken die Verwendung der optischen Isolationstechnologie auf kostensensible, nicht besonders schnelle Leistungswandler ein.

Die magnetische Isolation nutzt die induktive Kopplung mit Transformatorspulen und bietet eine hohe Isolationswirkung bei hohen Frequenzen. Diese Technik zeichnet sich durch kürzere Signallaufzeiten aus als das optische Verfahren, allerdings entstehen große Probleme durch elektromagnetische Störungen. Die Störbeständigkeit ist ebenfalls gering und die Isolation wird durch Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse beeinträchtigt.

Die kapazitive Isolation basiert auf einem wechselnden elektrischen Feld, um Energie über eine Kapazität zu übertragen. Der Vorteil dieser Technik liegt in ihrer Eignung für hohe Frequenzen und in ihrem relativ geringen Platzbedarf. Sie vereint sehr hohe Zuverlässigkeit mit sehr guter Temperaturstabilität des Isolationsmediums, hohen CMTI-Werten und geringen Störabstrahlungen. Bild 1 zeigt die kapazitive Isolation, die von Texas Instruments in seinen isolierten Gatetreibern, Verstärkern und Digitalisolatoren verwendet wird.

Breitbandige Strom- und Spannungsmessung

Bild 2: Strom- und Spannungsmessung in der EV-Ladeinfrastruktur. Die Strommesspunkte sind mit A, die Spannungsmesspunkte sind mit V markiert. Texas Instruments

In einer EV-Ladeapplikation wird die Strom- und Spannungsmessung für die drei Haupt-Funktionen Überwachung, Schutz und Regelung verwendet. In einem EV-Ladegerät erfolgt die Umwandlung der aus dem Stromnetz entnommenen Energie normalerweise in zwei Stufen. Die Leistungsfaktor-Korrekturstufe wandelt die Netzwechselspannung zunächst in eine stabile Gleichspannungs-Zwischenkreisspannung um. Anschließend wandelt ein Gleichspannungswandler die Zwischenkreisspannung in eine Spannung um, die zum Laden des Akkusatzes im jeweiligen Fahrzeug geeignet ist. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild einer EV-Ladestation. Darin sind die Strommesspunkte mit A und die Spannungsmesspunkte mit V markiert.

Der vermehrte Einsatz von SiC- und GaN-Schaltern (Galliumnitrid) in der Leistungsstufe hat die Möglichkeit zum Anheben der Betriebsfrequenzen (einige hundert Kilohertz bis einige Megahertz) geschaffen – begleitet von mehr Effizienz und höherer Leistungsdichte. Diese Leistungsstufen erfordern die präzise Erfassung schnell geschalteter Ströme, um einen zuverlässigen Betrieb der Regelschleife zu erreichen und damit eine stabile Funktion des Wandlers zu gewährleisten. Kurze Ansprechzeiten, lineares Übertemperaturverhalten, und präzise Strom- und Spannungsmessung sind entscheidend für alle Hochleistungs-Systeme mit Hochspannungsstufen.

Direkt und indirekt: Halbleitertechnologien für die Strommessung

Halbleitertechnologien, die bei der Strommessung helfen können, lassen sich grob in direkte und indirekte Messmethoden einteilen. Zu den direkten Methoden gehört die Messung mithilfe eines Shunt-Widerstands unter Verwendung entweder eines isolierten Verstärkers oder eines isolierten Sigma-Delta-Modulators. Der Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand, der typisch 50 mV bis 250 mV beträgt (um die durch den Stromfluss bedingten Verluste im Widerstand zu minimieren), fungiert als Eingangssignal für diese Stufe.

Bei einem isolierten Verstärker wird das verstärkte Niederspannungs-Signal an einen externen Regler geschickt, um präzise Strommessungen an Hochspannungs-Leitungen vornehmen zu können und dabei die elektrische Isolation zu wahren.

Ein isolierter Sigma-Delta-Modulator moduliert den Spannungsabfall am Shunt-Widerstand direkt zu einem digitalen Bitstrom, der, wenn er direkt der Sigma-Delta-Peripheriefunktion eines Mikrocontrollers zugeführt wird, eine deutlich größere Bandbreite ermöglicht. Eine höhere Signalbandbreite aber bürgt für schnelle, präzise Strommessungen und eine exakte Nachbildung des geschalteten Signals, um die Leistungsstufe des Wandlers steuern zu können.

Die Shunt-basierte Messung wird bevorzugt, weil diese Methode eine höhere DC-Genauigkeit über die Temperatur erzielt als Lösungen auf Halleffekt-Basis mit einmaliger Kalibrierung. Dass Shunt-basierte Lösungen besonders bei niedrigen Strömen deutlich präziser sind, liegt an ihrer geringen Empfindlichkeit gegen externe Magnetfelder. Zudem sind Shunt-Lösungen über den gesamten Spannungsbereich linear – insbesondere beim Nulldurchgang und nahe der Sättigungsregion des Magnetkerns. Diese Lösung bietet nicht zuletzt eine verstärkte Isolation bis 5 kV und begnügt sich im Vergleich mit Halleffekt-Sensoren mit weniger Platz.

Zu den indirekten Methoden gehört das Messen des Magnetfelds in der Umgebung des stromführenden Leiters. Zum Beispiel nehmen Halleffekt-Sensoren eine indirekte Messung des Stroms vor, indem sie das Magnetfeld in der Umgebung dieses Leiters messen. Ungeregelte Halleffekt-Sensoren sind mit einer Bandbreite bis 1 MHz im Angebot. Geregelte Sensoren dagegen haben eine Bandbreite bis zu 350 kHz und sind leistungsfähiger als ungeregelte Sensoren, kosten aber auch mehr.

Angesichts ihrer sehr hohen Bandbreite und geringen Reaktionszeit bieten ungeregelte und geregelte Halleffekt-Sensoren SiC-Schaltern im Kurzschlussfall einen besseren Schutz als Shunt-Lösungen, und dies besonders bei hohen Schaltfrequenzen. Die Kurzschlussfestigkeits-Zeit von SiC-Schaltern beträgt typisch 1 bis 3 µs, sodass eine schnelle Detektierung von Kurzschlüssen unabdingbar ist. Der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand erzeugt im Gegensatz zu Halleffekt-Lösungen Verluste und Abwärme, besonders wenn die zu messenden Ströme hoch sind.

Eigenschaften isolierter Gatetreiber

Gatetreiber bilden die Schnittstelle zwischen dem Pulsweiten-Modulator eines Reglers und dem Hochleistungs-Schalter. SiC- und IGBT-basierte Power-Module hoher Leistung erfordern Gatetreiber mit der Eignung als Quelle oder Senke für Spitzenströme bei extrem hohen Geschwindigkeiten, und zwar mit minimalen Ein- und Abschaltzeiten und daraus folgend mit minimalen Schaltverlusten. Gatetreiber müssen folgende Eigenschaften bieten: Flexibilität, um ein und denselben Treiber mit stark differierenden Betriebsspannungen und unterschiedlichen Arten von Leistungsschaltern nutzen zu können, Robustheit, um in Umgebungen mit hohem Störaufkommen und extremen Temperaturbedingungen einsetzbar zu sein, minimale Einschaltverzögerungen, um das Schalten eines  Feldeffekt-Transistors (FET) zu beschleunigen, die Durchlasszeit der Body-Diode zu minimieren und damit den Wirkungsgrad zu verbessern und schließlich eine geringe Laufzeitstreuung, um sicherzustellen, dass parallelgeschaltete MOSFETs mit minimal unterschiedlichen Verzögerungen einschalten.

Abhängig von der Anordnung des Reglers ist eine Isolation zwischen Controller und Treiber erforderlich. Eine traditionelle Isolationsmethode besteht in der Verwendung eines separaten Übertragers in Verbindung mit einem nicht-isolierten Gatetreiber. Ein integrierter Gatetreiber besitzt eine Laufzeit, die auf dem gleichen Niveau liegt oder kürzer ist als bei einer Lösung mit diskretem Übertrager, nimmt aber nur die Hälfte der Fläche ein. Darüber hinaus kann ein integrierter Gatetreiber so maßgeschneidert werden, dass er einen CMTI-Wert von mehr als 100 V/ns bietet, also wesentlich mehr als eine diskrete Lösung. Der CMTI-Wert ist ein entscheidender Parameter, mit dem sich die Robustheit eines Gatetreibers bestimmen lässt.

Schutzfunktionen im Gatetreiber

Schutzfunktionen in Gatetreibern sind die Voraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb des Wandlers. Wegen der Vorteile der gesteigerten Leistungsdichte und des höheren Wirkungsgrads, haben sich SiC und GaN in verschiedenen Applikationen als potenzieller Ersatz für verschiedene Anwendungen in Stellung gebracht. Ein SiC-MOSFET stellt allerdings höhere Anforderungen an den Kurzschlussschutz, denn er widersteht Kurzschlüssen nur 1 bis 3 µs lang, während es bei einem IGBT ca. 10 µs sind. Entscheidend für eine zügige Kurzschlusserkennung ist ein DESAT-Pin am Gatetreiber. Eine integrierte Unterspannungs-Sperre und eine aktive Miller-Klemmung sind ebenfalls von größter Wichtigkeit, um ein ungewolltes Einschalten von FETs in Halbbrücken-Anwendungen zu unterbinden.

(na)

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