Bild 1: Aufteilung der beiden Spannungsbereiche 48 V und 12 V in einem Hybridfahrzeug.

Bild 1: Aufteilung der beiden Spannungsbereiche 48 V und 12 V in einem Hybridfahrzeug. (Bild: STMicroelectronics)

Immer mehr Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor haben mittlerweile neben 12 V auch 48 V als Bordspannung. 48-V-Mild-Hybride lassen sich leichter umsetzen als Hochvolt-Hybride, denn bei 48 V entfallen die elektrischen Sicherheitsprobleme, die Hochspannungsbusse (400 V bis 800 V) mit sich bringen. Kernelement ist dabei die 48-V-Li-Ionen-Batterie, die Hochleistungssysteme des Fahrzeugs versorgt, z. B. Servicepumpen, Start-Stopp-System, EPS und HVAC. Und über den 48-V/12-V-zu-14V-Gleichstromwandler kann die 48-V-Batterie die herkömmliche 12-V-Bleisäurebatterie aufladen, die die Systeme mit geringem Stromverbrauch versorgt. Beispiele hierfür sind Karosserie- und Infotainment-Anwendungen (Bild 1).

Bild 2: Blockschaltbild eines 48-V-Mild-Hybrid-Systems.
Bild 2: Blockschaltbild eines 48-V-Mild-Hybrid-Systems. (Bild: STMicroelectronics)

Dieser Beitrag erläutert, wie die elektrischen Anforderungen des Gleichspannungswandlers und die für den Wandler verwendete mehrphasige synchrone Buck-Topologie die Auswahl der Leistungs-MOSFETs beeinflussen. Anschließend werden die Leistungsniveaus aufgezeigt, die derzeit bei der Verwendung der nach AEC-Q101 qualifizierten 80-V- bis 100-V-STripFET F7-MOSFETs von ST in dieser Wandler-Anwendung erreicht werden. Eine neue Leistungs-MOSFET-Technologie, die von ST entwickelt wird, wird diese Leistung noch weiter steigern.

 

Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild einer mehrphasigen, verschränkten synchronen Abwärtswandler-Leistungsstufe.
Bild 3: Vereinfachtes Schaltbild einer mehrphasigen, verschränkten synchronen Abwärtswandler-Leistungsstufe. (Bild: STMicroelectronics)

Das ermöglichen die neuen MOSFETs

Die neuen MOSFETs ermöglichen dank ihrer geringeren Gate-Ladung und schnelleren Erholung der Dioden einen höheren Wirkungsgrad und einen Betrieb bei niedrigerer Sperrschichttemperatur, was die Schlüsselparameter für die Verringerung der Schaltverluste sind.

48V-zu-12V-DC-DC-Wandler

In Mild-Hybrid-Fahrzeugen auf Basis der 48-V-Technologie reduziert der 48-V-zu-12-V-Wandler die 48-V-Batteriespannung, um die 12-V-Batterie zu laden. Dieser Wandler ermöglicht auch einen bidirektionalen Stromfluss, denn in einigen Fällen kann die 12-V-Batterie die 48-V-Batterie versorgen. Wenn zum Beispiel die 48-V-Batterie ausfällt, könnte das Auto auf diese Weise gerade genug Energie haben, um die nächste Werkstatt zu erreichen. Die technischen Daten des 48-V-zu-12-V-Gleichspannungswandlers sind eine Ausgangsleistung bis zu 3,3 kW im Buck-Modus und 1,2 kW im Boost-Modus, ein Ausgangsstrom bis zu 275 A, ein Wirkungsgrad von mehr als 95% bis 96% sowie ein Eingangsspannungsbereich von 24 V bis 56 V und ein Ausgangsspannungsbereich von 6 V bis 16 V.

 

Bild 4: STL105N8F7AG-Wellenformen beim Ausschalten auf der niedrigen Seite (links) und beim Einschalten (rechts).
Bild 4: STL105N8F7AG-Wellenformen beim Ausschalten auf der niedrigen Seite (links) und beim Einschalten (rechts). (Bild: STMicroelectronics)

Das Schema eines mehrphasigen, verschränkten synchronen Abwärtswandlers, der diese Spezifikationen erfüllen könnte, ist in Bild 3 dargestellt. Bei dieser Topologie ist die Schaltfähigkeit des High-Side-MOSFETs (HS) zwingend erforderlich, um den Wirkungsgrad des Wandlers, die Kommutierungsleistung und das Rauschen zu optimieren, während der Low-Side-MOSFET (LS) zur Minimierung der Leitungsverluste optimiert werden muss, um so den Wirkungsgrad bei hoher Last zu erhöhen.

Dies gilt, wenn der Wandler im Abwärtsmodus arbeitet, um während der Ladephase Strom an die 12-V-Batterie zu liefern. Um Probleme mit der Systemzuverlässigkeit zu vermeiden, muss ein doppelter Regelkreis implementiert werden. Die erste Regelschleife ist eine Stromregelschleife, während die zweite eine Spannungsregelschleife ist, um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung im Falle einer Abschaltung der 12-V-Batterie ohne jegliche Kontrolle ansteigt. (Das ist die bekannte Durchschnittsstromregelung, jedoch mit einer engen Begrenzung der maximalen Stromwelligkeit). Im Falle einer schwachen 48-V-Batterie muss der Wandler im Boost-Modus arbeiten. In diesem Modus haben die Schaltverluste hauptsächlich in der Low-Side-Leistung ihre Ursache, während die Leitungsverluste hauptsächlich von der High-Side abhängen. Aus diesem Grund ziehen es die meisten Systementwickler vor, denselben MOSFET für beide Funktionen zu verwenden. Andere Entwickler bevorzugen es jedoch, den Abwärtsmodus zu optimieren, indem sie einen High-Side-Baustein mit niedrigem Qg-Wert wählen, da dies die vorherrschende Funktion der Anwendung ist.

 

Tabelle 1: Hauptrichtlinien für die Auswahl von MOSFETs in einem 48V-zu-12V-DC-DC-Wandler.
Tabelle 1: Hauptrichtlinien für die Auswahl von MOSFETs in einem 48V-zu-12V-DC-DC-Wandler. (Bild: STMicroelectronics)

Spezifikationen der Leistungs-MOSFETs

STs Lösung für die DC/DC-Wandlung in 48-V-Mild-Hybrid-Systemen ist die STPOWER-StripFET-F7-Technologie für den Bereich 80 bis 100 V, die nach AEC-Q101 qualifiziert ist. Tabelle 1 enthält die wichtigsten Richtlinien für die Auswahl der Leistungs-MOSFETs in einem 48-V-zu-12-V-Gleichstromwandler.

Bild 5: Wirkungsgrad von STL125N8F7AG und STL135N8F7AG im bidirektionalen DC/DC-Wandler von 48 V auf 12 V.
Bild 5: Wirkungsgrad von STL125N8F7AG und STL135N8F7AG im bidirektionalen DC/DC-Wandler von 48 V auf 12 V. (Bild: STMicroelectronics)

Die Bausteine des Typs STPOWER STripFET F7 sind auf ein optimiertes Verhalten zugeschnitten, insbesondere im Hinblick auf die Verringerung der Miller-Effekt-Kapazität, das Kapazitätsverhältnis (Crss/Ciss), die Leistungsfähigkeit der Body-Diode und das Avalanche-Verhalten. Insbesondere der STL105N8F7AG ist ein guter Kandidat als High-Side- oder Steuerschalter für solche Topologien, da er ein niedriges Qg/Qgd und regelmäßige Schaltwellenformen ohne gefährliche Spikes sowie ohne störendes Klingeln (wie in Bild 4 gezeigt) bietet.

Tabelle 2. Gemessene Parameter für den Prototyp der neuen MOSFET-Technologie.
Tabelle 2. Gemessene Parameter für den Prototyp der neuen MOSFET-Technologie. (Bild: STMicroelectronics)

Der STL125N8F7AG, der sowohl in HS- als auch in LS-Konfigurationen verwendet wird, zeigt den besten Wirkungsgrad bei leichten Lasten, während eine gemischte Konfiguration mit dem STL125N8F7AG als HS-MOSFET und dem STL135N8F7AG als LS-MOSFET einen guten Wirkungsgrad bei leichten Lasten aufweist und dennoch die beste Leistung bei schweren Lasten erzielt (Bild 5).

Bild 6: Gemessener Wirkungsgrad des Prototyps der neuen MOSFET-Technologie bei leichter Last.
Bild 6: Gemessener Wirkungsgrad des Prototyps der neuen MOSFET-Technologie bei leichter Last. (Bild: STMicroelectronics)

Ergebnisse des neuen MOSFET-Prototyps

Um Einsparungen bei den endgültigen Systemkosten zu erzielen, muss die Gleichspannungswandler-Anwendung weiterentwickelt werden, indem zu höheren Schaltfrequenzen übergegangen wird, da dies eine Verkleinerung der Komponenten ermöglicht. Das beinhaltet eine Verringerung der Abmessungen des Ausgangs-LC-Filters, der Kupfermenge auf der Leiterplatte und der Größe des Kühlkörpers, wodurch die Kosten für das Kühlsystem gesenkt werden. Aufgrund der geringeren Verlustleistung der vorhandenen MOSFETs ist bei harten Schaltvorgängen mit Strömen bis zu 250 A eine Wasserkühlung nicht mehr zwingend erforderlich.

Durch den Trend zu höheren Schaltfrequenzen steigt die Leistungsdichte, so dass eine schnellere Schaltfähigkeit der MOSFETs erforderlich ist. Aus diesem Grund entwickelt STMicroelectronics neue Leistungs-MOSFETs im Bereich von 80 V bis 100 V, um diese spezielle Anwendungsanforderung abzudecken. Mittlerweile liegen die Messergebnisse der ersten 100-V-Prototypen mit maximal 4,6 mΩ vor; Tabelle 2 zeigt die Parameterergebnisse.

Bild 7: Wärmebild des MOSFET-Prototyps, der sich nach 15 Minuten Dauerbetrieb erwärmt.
Bild 7: Wärmebild des MOSFET-Prototyps, der sich nach 15 Minuten Dauerbetrieb erwärmt. (Bild: STMicroelectronics)

Der gemessene Gate-Ladungswert (QG = 50 nC) macht dieses Bauelement zu einem geeigneten High-Side-Schalter für diese Art von Anwendung. Diese Eigenschaft reduziert die Schaltverluste und erhöht damit den Wirkungsgrad bei geringer Last (Bild 6), verringert die Eigenerwärmung (Bild 7) und verkürzt die Schaltzeit (Bild 8). Der Wandler arbeitet mit 250 kHz, und die Leistungs-MOSFETs werden mit einem externen Gate-Widerstand von 2 Ω High-Side und 0 Ω Low-Side betrieben. Diese Wahl ist sinnvoll, um die Spannungsspitze während des Abschaltens des Steuerschalters zu kontrollieren und den Miller-Effekt auf der Low-Seite zu minimieren. Aufgrund des schnellen Schaltvorgangs und der damit verbundenen dV/dt kann ein kapazitiver Strom über den MOSFET-Gate-Widerstand, die Impedanz des Ausgangstreibers und den externen Gate-Widerstand in die Gate-Schleife zurückfließen. Diese Phänomene können ein falsches Einschalten des MOSFETs und damit eine Querleitung verursachen, die das System zerstören kann.

Bild 8: Messungen der High-Side-Abschaltwellenformen des MOSFET-Prototyps, bei denen sich das schnelle Schalten in einer höheren VDS-Spannungsspitze widerspiegelt.
Bild 8: Messungen der High-Side-Abschaltwellenformen des MOSFET-Prototyps, bei denen sich das schnelle Schalten in einer höheren VDS-Spannungsspitze widerspiegelt. (Bild: STMicroelectronics)

Fazit zu den neuen MOSFETs

Die hier vorgestellten experimentellen Ergebnisse für die neuen MOSFETs verdeutlichen die Verbesserungen beim Schalten und beim Wirkungsgrad, die in der Anwendung mit Gleichspannungswandlern erzielt werden können, während gleichzeitig die für die Einhaltung aller Automobilanforderungen erforderliche Robustheit gewährleistet ist. Durch die Möglichkeit, in der Anwendung mit höheren Frequenzen zu schalten, ermöglicht diese neue Technologie die gewünschte Größenreduzierung des Wandlers. (av)

Autoren

Filippo Scrimizzi, Carmelo Mistretta und Giusy Gambino, STMicroelectronics, Catania, Italien

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