Aufmacher_EV-Charger-with-ESS

(Bild: Analog Devices)

| von Stefano Gallinaro

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.

Die Praxis: iCoupler-Technologie

Bild 2: Bild 2: Der Gate-Treiber ADuM4135 in iCoupler-Technologie verfügt über eine geringe Laufzeitverzögerung und einen Entsättigungsschutz zur Überdeckung von Spannungsspitzen.

Bild 2: Der Gatetreiber ADuM4135 in iCoupler-Technologie verfügt über eine geringe Laufzeitverzögerung und einen Entsättigungsschutz zur Überdeckung von Spannungsspitzen. Analog Devices

Auf Basis der iCoupler-Technologie von Analog Devices bietet der isolierte Gatetreiber ADuM4135 (Bild 2) eine Reihe von Vorteilen, die speziell in Hochvolt-Anwendungen und in Applikationen mit hohen Schaltfrequenzen zum Tragen kommen. Der Schaltkreis besitzt eine Laufzeitverzögerung von weniger als 50 ns, eine Kanal-zu-Kanal-Abweichung kleiner als 5 ns mit einem CMTI-Wert (Common Mode Transient Immunity) von mehr als 100 kV/µs.

Der Baustein im 16-poligen Wide-Body-SOIC-Gehäuse enthält eine Miller-Klemmschaltung, die ein robustes Abschalten der SiC- und GaN-Schalter sicherstellt oder zum Abschalten von IGBTs mit einpoliger Versorgung dient, wenn die Gatespannung unter 2 V fällt. Der Gatetreiber erlaubt den Betrieb mit unipolaren oder bipolaren Sekundärversorgungen und enthält einen Schaltkreis zur Erkennung von Entsättigungen, der Schutz vor hohen Spannungen und Kurzschlüssen bietet.

Der Entsättigungsschutz beinhaltet Funktionen zur Rauschreduzierung wie beispielsweise eine 300 ns lange Masking-Zeit. Diese überdeckt nach einem Schaltereignis Spannungsspitzen, verursacht durch erstmaliges Einschalten. Eine interne 500-µA-Stromquelle erlaubt einen geringen Bedarf an zusätzlichen Bausteinen und der interne Blanking-Schalter ermöglicht die Erweiterung um eine externe Stromquelle, falls eine höhere Rauschimmunität notwendig ist. Die Chip-Scale-Transformatoren erlauben außerdem die isolierte Kommunikation von Steuerinformationen zwischen dem Hoch- und Niederspannungsbereich des Chips.

Laufzeitverzögerung minimieren

Bild 3: In Anwendungen, die nur SiC- und GaN-Schalter enthalten, sind Bausteine mit sehr geringen Laufzeitverzögerungen notwendig; hier im Bild der Gate-Treiber ADuM4121.

Bild 3: In Anwendungen, die nur SiC- und GaN-Schalter enthalten, sind Bausteine mit sehr geringen Laufzeitverzögerungen notwendig; hier im Bild der Gatetreiber ADuM4121. Analog Devices

Für kompakte Applikationen, die nur SiC- und GaN-Schalter enthalten, sind Bausteine mit sehr kurzen Laufzeitverzögerungen die Voraussetzung, um hohe Schaltfrequenzen und Gleichtakt-Transientenimmunität zu ermöglichen. Beim Gatetreiber ADuM4121 (Bild 3) beträgt die Laufzeitverzögerung beispielsweise 38 ns und die Transientenimmunität 150 kV/µs. Beim Einsatz in Hochgeschwindigkeits-Topologien müssen Entwickler darauf achten, den Gatetreiber richtig zu versorgen, damit dessen Leistungsdaten erhalten bleiben.

Monolithisch isolierte Micropower-Flyback-Wandler wie beispielsweise der LT8304  und LT8304-1 tasten die isolierte Ausgangsspannung direkt aus dem primärseitigen Flyback-Signalverlauf ab und benötigen keine dritte Transformatorwicklung oder extra Isolatoren für die Regelung. Die Ausgangsspannung ist mit zwei externen Widerständen programmiert, mit einem optionalen, dritten Temperaturkompensationswiderstand. Der Boundary-Mode-Betrieb ermöglicht eine Lösung mit kleinen Transformatoren, während im Burst-Mode eine hohe Effizient bei geringer Last beibehalten und die Welligkeit der Ausgangsspannung minimiert wird.

Eine stabile Stromversorgung mit kontrollierten, harmonischen Anteilen im Frequenzbereich für schnelle Gatetreiber bieten monolithische Hochvolt/Hochfrequenz-DC/DC-Transformatortreiber. Ein Beispiel dafür ist der LT3999 mit einer maximalen Schaltfrequenz von 1 MHz, externer Sync-Fähigkeit sowie einem Eingangsspannungsbereich von 2,7 bis 36 V.

 

Wie sich Steuerschleifen parallel betreiben lassen und welche Unterstützung Analog Devices Entwicklern bietet, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Steuerschleifen parallel betreiben

Bild 4: Systemsteuereinheiten wie der ADSP-CM419F müssen in der Lage sein, merhere schnelle Steuerschleifen parallel zu betreiben.

Bild 4: Systemsteuereinheiten wie der ADSP-CM419F müssen in der Lage sein, mehrere schnelle Steuerschleifen parallel zu betreiben. Analog Devices

Die Systemsteuereinheiten, normalerweise eine Kombination aus MCUs, DSPs oder FPGAs, müssen in der Lage sein, mehrere schnelle Steuerschleifen parallel zu betreiben und außerdem die Sicherheitsfunktionen beherrschen. Gefragt ist ebenfalls Redundanz und eine große Zahl unabhängiger PWM-Signale, ADCs und I/Os. Mit dem ADSP-CM419F (Bild 4) können Entwickler beispielsweise einen Mixed-Signal-Dual-Core-Prozessor nutzen, um parallel mit Multi-Level-Leistungswandlungssystemen umzugehen, die hohe Leistung, hohe Dichte und Mixed-Switch-Fähigkeiten aufweisen.

Der Baustein enthält einen ARM-Cortex-M4-Prozessorkern mit Floating-Point-Einheit und arbeitet bei Frequenzen bis 240 MHz. Zusätzlich enthalten ist ein ARM-Cortex-M0-Prozessorkern für bis zu 100 MHz. Dies ermöglicht die Integration von Dual-Core-Safety-Redundanz in einen Chip. Der Hauptprozessor ist neben SRAM und Flash-Speicher mit Beschleuniger- und Peripheriefunktionen ausgestattet, die auf Leistungswandler-Steuerungen ausgelegt sind. Dazu zählen 24 unabhängige PWMs und ein Analogmodul, bestehend aus zwei 16-Bit-SAR-ADCs, einem 14-Bit-ADC auf einem M0-Kern und einem 12-Bit-DAC. Der Prozessor arbeitet an nur einer Versorgungsspannung und erzeugt eigene interne Spannungen mithilfe von internen Spannungsreglern und einem externen Pass-Transistor.

Die schnelle und genaue Spannungsmessung ist in Hochgeschwindigkeitsanwendungen unerlässlich. Sie lässt sich mit leistungsfähigen Σ/Δ-Modulatoren zweiter Ordnung wie beispielsweise dem AD7403 realisieren, der ein analoges Eingangssignal in einen schnellen (bis zu 20 MHz) Single-Bit-Datenstrom wandelt. Der Modulator akzeptiert ein differenzielles Eingangssignal von ±250 mV. Die Original-Information lässt sich mit einem geeigneten Digitalfilter rekonstruieren, um ein SNR von 88 dB bei 78,1 kSample/s zu erreichen.

Unterstützung für Entwickler

Damit Entwickler Leistungswandlerdesigns der nächsten Generation realisieren können, die leistungsfähig, zuverlässig und wettbewerbsfähig sind, hat Analog Devices verschiedene Hard- und Software-Entwicklungsplattformen entwickelt. Diese lassen sich sowohl zur Evaluierung der ICs als auch als Funktionsblock für das komplette System nutzen. Die Entwicklungsplattformen bilden das vollständige IC-Ökosystem zum Treiben von SiC- und GaN-Leistungswandlern der nächsten Generation ab. Zur Verfügung stehen Versionen wie isolierte Gatetreiber-Boards für Hochvolt- und Hochstrom-SiC-Leistungsmodule bis hin zu kompletten, bidirektionalen AC/DC-Wandlern, wobei auch die Software für den ADSP-CM419F eine Schlüsselrolle zum Steuern der SiC- und GaN-Schalter spielt.

Stefano Gallinaro

(Bild: Analog Devices)
Strategic Marketing Manager bei Analog Devices

(na)

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