Isolierte Treiber für Schaltanwendungen der Elektromobilität

Das Ökosystem Elektrofahrzeug (EV) besteht aus zwei Elementen: dem Elektrofahrzeug selbst und der Ladestation. Elektrofahrzeuge besitzen Schaltstufen an verschiedenen Stellen, darunter das Batteriemanagementsystem, Traktionsumrichter, Onboard-Ladegeräte, DC/DC-Wandler sowie die in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) verwendete Start-Stopp-Automatik. Das Laden von Elektrofahrzeugen mit 230 V_AC (einphasig) im häuslichen Bereich erfolgt vorwiegend mit einphasigen 3,6-kW-Ladegeräten oder Drehstrom-Ladegeräten, die bis zu 22 kW liefern. Schnelles Laden von Fahrzeugbatterien (in weniger als einer Stunde) erfordert ein Hochspannungs-DC-Ladegerät (bis zu 800 V).

Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad

Leistungselektronik-Komponenten im Automobilbereich erfordern hohe Zuverlässigkeit, und die beim Laden verwendete hohe Leistung bedeutet zudem, dass für jede Stufe des Antriebsstrangs ein hoher Wirkungsgrad erforderlich ist.  Verbesserte SiC-, MOSFET- und IGBT-Treiber wie der Scale-iDriver erhöhen die Zeitgenauigkeit und liefern mehr Gatestrom für höhere Schalteffizienz. Neuartige und robustere Kommunikationstechnologien wirken sich zudem vorteilhaft auf die Systemlebensdauer aus. Diese Treiber bieten zudem Sicherheitsfunktionen zum Schutz des Antriebsstrangs bei Überlastzuständen und sorgen so für erhöhte Systemzuverlässigkeit.

Power Integrations hat mit den Typen SID1132KQ und SID1182KQ zwei nach AEC-Q 100 Grade-1 für den Fahrzeugbereich qualifizierte Scale-iDriver-ICs auf den Markt gebracht. Sie ermöglichen es Entwicklern, die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit hochstromisolierter IGBT-, MOSFET- und SiC-Module vollständig auszunutzen.

Flux-Link-Technologie

Die Einkanal-Treiber-ICs verwenden die magneto-induktive Flux-Link-Technologie von Power Integrations, die eine bidirektionale Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsverbindung zwischen der Niederspannungsseite (Primärseite) und der Hochspannungsseite (Sekundärseite) bereitstellt. Flux-Link besteht aus zwei magnetisch gekoppelten Leitern im Abstand von 0,4 mm, die in ein homogenes Isolationsmaterial eingebettet sind. Sie bieten eine Isolation von mehr als 8000 V und entsprechen der Norm VDE0884-10 (zukünftig VDE0884-11).  Untergebracht sind die Bauelemente in einem kompakten und robusten eSOP-Gehäuse und besitzen einen CTI-Wert (Comparative Tracking Index) von 600, eine Luft- und Kriechstrecke von 9,5 mm und erfüllen die strenge Anforderung von 5000 m für verstärkte Isolierung in großen Höhen. Die Integration der primären Isolationsschranke und der Kommunikationsverbindung innerhalb des IC-Gehäuses verbessert die Zuverlässigkeit und beseitigt den Bedarf an externen Isolationskomponenten wie beispielsweise Optokopplern mit  systembedingten Einschränkungen beim Wärmeverhalten und Langzeitstabilitätsproblemen.

Welchen Funktionsumfang der Treiber bietet, beschreibt der Beitrag im Folgenden.

Integrierter Funktionsumfang der Treiber

Die Treiber-ICs verfügen darüber hinaus über eine Vielzahl an Funktionen, darunter die integrierte Leistungs- und Spannungskontrolle, die die Gate-Emitter-Spannung stabilisiert, sowie die Unterspannungs-Abschaltung (UVLO), die den Hochspannungskreis bei Spannungseinbrüchen schützt. Damit vereinfachen sich Scale-iDriver-Schaltungen und die Anzahl externer Bauelemente fällt niedriger aus. Zusätzlich sorgen integrierte Sicherheitsfunktionen, darunter Advanced Soft Shut Down (ASSD) und Sättigungsschutz, für einen sicheren Betrieb bei Fehlerzuständen. Neben der verbesserten galvanischen Trennung weist die bidirektionale Flux-Link-Hochgeschwindigkeitsverbindung eine sehr kurze Signallaufzeit auf. Sie isoliert die Niederspannungs-Eingangsseite des Bauelements von der Sekundär- beziehungsweise Hochspannungsseite.

Bild 1: Eine typische Anwendungsschaltung für den Treiber mit vereinfachten Stromversorgungsanforderungen und minimaler Anzahl externer Komponenten. Power Integrations

Flux-Link liefert Schaltinformationen an die Hochspannungsseite des Treibers und meldet Störungsinformationen an den Mikrocontroller der Niederspannungsseite zurück. Der Eingangs-Pin (IN) und der Ausgangs-Pin (SO) auf der Niederspannungsseite unterstützen 5-V-CMOS-Logik. Die Übertragung der Gatetreiber-Befehle an die sekundärseitigen Pins GH und GL erfolgt mit einer typischen Laufzeitverzögerung von 260 ns und einem Timing-Jitter von 5 ns, was eine Schaltgeschwindigkeit von 75 kHz ermöglicht und den Treiber ideal für Hochfrequenz-Schaltanwendungen macht. Der Primär- beziehungsweise Niederspannungs-Ausgangspin SO ist im Normalbetrieb hochohmig, wird aber bei Erkennen einer Störung auf GND-Potential gesetzt. Bild 1 zeigt eine typische Anwendungsschaltung, die die vereinfachten Stromversorgungsanforderungen und die minimale Anzahl an externen Komponenten verdeutlicht, die beim Scale-iDriver erforderlich sind.

Um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, muss der Treiber die Hochspannungs-Schaltelemente während Spannungstransienten und unter Fehlerbedingungen schützen. Die Scale-iDriver-Komponenten bieten einen Schutz gegen Kurzschluss und Treiber-Unterspannung. Der Treiber nutzt den Halbleiter-Entsättigungseffekt (Dsat) zur Erkennung eines Systemkurzschlusses und verwendet die Advanced-Soft-Shut-Down-Technik zum sicheren Abschalten des Schalters.

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, wie das Bauelement Sensorik unterstützt und die Schaltvorgänge konkret ablaufen.

Unterstützung für Sensorik

Bild 2: Der Scale-iDriver unterstützt auch widerstandsbasierende Sensorik, die unempfindlich gegen Rauschspitzen ist. Power Integrations

Die Bauelemente unterstützen sowohl dioden- als auch widerstandsbasierende Sensorik, die weniger empfindlich für Rauschspitzen ist (Bild 2).  Während des Aus-Zustands ist der VCE-Pin intern mit dem COM-Pin verbunden und der Widerstandsketten-Kondensator C_RES wird entladen (die rote Kurve in Bild 3 zeigt das Spannungspotential des VCE-Pins). Wenn der Leistungsschalter einen Einschaltbefehl empfängt, fällt die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE) vom Aus-Pegel (der der Zwischenkreisspannung entspricht) auf den weitaus niedrigeren Ein-Pegel ab (siehe die blaue Kurve in Bild 3). C_RES wird auf die Sättigungsspannung V_CE(SAT) von V_CE aufgeladen. Dabei hängt die Ladezeit von C_RES von R_VCEX ab, der Zwischenkreisspannung und der Kapazität von C_RES. Es erfolgt eine kontinuierliche Überwachung der Spannung V_CE während des Ein-Zustands und ein Vergleich mit der internen Referenzspannung V_DES. Der Pegel von V_DES ist für die verschiedenen Schalttechnologien optimiert. Wenn die Spannung am Pin VCE die Spannung V_DES (roter Kreis in Bild 3) überschreitet, schaltet der Treiber den Halbleiterschalter ab und überwacht dabei die Kollektorstromsteilheit, um die Überspannungsabweichung V_CE  unterhalb der maximalen Kollektor-Emitter-Spannung (V_CES) zu halten.

Bild 3: Die Fehlererkennungs-Spannungskurven für den Scale-iDriver: Spannungspotenzial des VCE-Pins (rote Kurve) und Abfall der Spannung bei Empfang des Einschaltbefehls (blaue Kurve). Power Integrations

Einschaltbefehle während dieses Zeitraums und während t_SO werden ignoriert und der Pin SO ist intern mit GND verbunden. Die Ansprechverzögerung t_RES ist die Ladezeit von C_RES und beschreibt die Verzögerung zwischen V_CE beim Überschreiten des Referenzwertes und der ansteigenden Spannung am VCE-Pin (siehe Bild 3). Dabei ist die Ansprechzeit lang genug, um eine Fehlauslösung während des Einschaltens des Halbleiters zu vermeiden. Einstellbar ist sie über die Werte von R_VCE und C_RES (Bild 2).  Die Sanftabschaltung wird bei Erkennung eines Kurzschlusses aktiviert. Sie schützt das Schaltelement durch Beenden des Schaltzyklus und gleichzeitiger Begrenzung der Stromsteilheit von V_CE, um die V_CE-Überspannungen unterhalb des für den Schalter zulässigen Maximums zu halten.

Das Vorhandensein von separaten High-drive- (GH) und Low-drive- (GL) Ausgängen ermöglicht die Verwendung verschiedener Widerstandswerte zur Optimierung der Einschaltströme und zur Reduzierung der Schaltverluste während der Einschaltzeit für verbesserten Wirkungsgrad.  Beim SID1182KQ kann der Ausgang GH während des Einschaltens bis zu 7,2 A liefern, während der Ausgang GL während des Ausschaltens um bis zu 8,0 A abfallen kann. Wenn beide Widerstände denselben Wert haben, lassen sich die Pins GH und GL verbinden.

Zusammenfassung

Scale-iDriver-ICs eignen sich für Fahrzeuganwendungen, die einen robusten, zuverlässigen Betrieb über den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 125 °C erfordern. Sie bieten zudem verbesserte Sicherheit durch die Integration von Entsättigungserkennung und Sanftabschaltung (Advanced Soft Shut Down) und sind die einzigen isolierten Treiber, die die Anforderung einer verstärkten Isolation von 531 V bei einer Meereshöhe von 5000 m erfüllen.

Die typischen Anwendungen für den Scale-iDriver im Antriebsstrang umfassen Traktionsumrichter für den Antrieb der Motoren, Onboard-Ladegeräte zur Regelung des Eingangsstroms und DC/DC-Spannungswandler, die ihre Energie aus der Hochspannungsschiene beziehen und die erforderlichen Niederspannungen durch Hilfssysteme erzeugen.

(na)