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SiC-Referenz-Design SiC-MOSFETs statt Silizium -IGBTs für die PFC in EV-Ladestationen

WBG-Leistungshalbleiter verändern die Art und Weise, wie PFCs zu entwickeln sind. Am Beispiel EV-Ladestation skizziert der Artikel eine Lösung mit dem SiC-MOSFET TW070J120B und Gate-Treiber TLP5214A.

Durch die anhaltenden weltweiten Bemühungen, die CO2-Emissionen zu verringern, steigt das Interesse an Elektrofahrzeugen (EV). Infolgedessen steigt auch die Nachfrage nach einer entsprechenden Lade-Infrastruktur. Autofahrer benutzen derzeit Ladestationen zu Hause, im Büro oder an Geschäften und Einkaufszentren. Unternehmen mit großen Fahrzeugflotten statten ihre Parkplätze mit Ladestationen aus, damit ihre Teams immer einsatzbereit sind. Dieser Wandel bei der „Betankung“ scheint offensichtlich – die Auswirkungen sind jedoch enorm. In wenigen Jahren müssen Millionen Ladepunkte mit Leistungswerten zwischen 3,6 kW und 22 kW installiert werden, wobei Schnellladestationen sogar Spitzenwerte von 150 kW und mehr erreichen können.

Der daraus resultierende massive Lastanstieg besonders zu Spitzenzeiten stellt die Versorger vor große Herausforderungen. Die installierten Ladelösungen müssen ihren Beitrag leisten, indem sie neueste Technik nutzen, um höchstmögliche Wirkungsgrade und einen möglichst nah an 1 liegenden Leistungsfaktor (PF; Power Factor) zu erreichen. Leistungsfaktorkorrekturstufen (PFC) sind Standard in elektrischen Geräten, seit die Europäische Union Grenzwerte für Oberwellenströme in den Standards IEC 61000-3-2 und IEC 61000-3-12 festgelegt hat.

Darüber hinaus übt der Markt entsprechenden Druck aus auf die Baugröße und die Wärmeableitung mit dem Trend hin zu passiver Kühlung, wo immer dies möglich ist. Dies setzt wiederum die Entwickler unter Druck, effizientere Konzepte für Leistungswandler zu finden. Bis vor kurzem waren PFCs die Domäne von IGBTs, die für ihrer hohen Strombelastbarkeit und Robustheit bekannt sind. Die Einführung von Leistungselektronikbauelementen mit großer Bandlücke verändert jedoch die Art und Weise, wie PFCs umgesetzt werden.

Siliziumkarbid-MOSFETs für effizientere PFC-Designs

Halbleiter mit weitem Bandabstand wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) bieten Entwicklern von Leistungswandlern neue Möglichkeiten. Im Vergleich zu bestehenden IGBTs bietet Siliziumkarbid deutlich geringere Ein- und Ausschaltverluste sowie Verbesserungen bei den Leitungs- und Diodenverlusten. Eine Analyse ihrer Schalteigenschaften zeigt, dass SiC-MOSFETs fast sofort vollständig einschalten, während IGBTs im Vergleich eine signifikante Steigung aufweisen. Dies führt zu erheblich geringeren Schaltverlusten.

Der Betrieb eines schnell schaltenden IGBTs und des Siliziumkarbid-MOSFETs TW070J120B von Toshiba unter den gleichen Laborbedingungen zeigt, dass die Schalt­verluste des SiC-MOSFETs bei 0,6 mJ liegen. Dies ist etwa ein Viertel der bei dem IGBT gemessenen 2,5 mJ. Getestet wurde jeweils bei 800 V, einem Drain-Source-Strom von 10 A, einer Umgebungstemperatur von 150 °C und optimalen Gate-Source-Schwellenspannungen (Bild 1).

In einer 3-Phasen-400-V-PFC zeigt der SiC-MOSFET Anwendungsvorteile gegenüber dem IGBT. Berücksichtigt man alle Schalt- und Leitungsverluste des FETs und der internen Diode, spart ein SiC-MOSFET-basiertes Design rund 66 Prozent an Verlusten gegenüber einem vergleichbaren IGBT-basierten Design (Bild 2) ein. Diese Effizienzverbesserung bietet Entwicklern die Möglichkeit, die Baugröße ihres PFC-Designs bei gleicher Leistung zu verringern oder die Leistung bei gleichem Volumen zu erhöhen.

Die integrierte Diode des SiC-MOSFET TW070J120B hat eine sehr niedrige Durchlassspannung (UDSF) von nur -1,35 V. Sie ist sehr robust gegenüber Stromspitzen und ist mit Strompulse von bis zu 72 A (TC=25°C) belastbar. Der Gate-Source-Spannungsbereich (UGSS) von -10 bis 25 V ist breiter als bei anderen Produkten des Marktes, was das Design vereinfacht. Der hohe Gate-Schwellenwert (Uth) von 4,2 V bis 5,8 V schützt vor ungewolltem Schalten aufgrund von Gate-Spannungsschwankungen und Rauschen.

Referenz-Design für die SiC-basierten PFC-Entwicklung

Der Wechsel von Silizium-IGBTs zu SiC-MOSFETs in Leistungswandlern ist im Vergleich zu anderen WBG-Halbleitern relativ einfach. Den schnellsten Weg bieten Re­ferenz-Designs. Toshibas bidirektionales 3-Phasen-PFC-Referenzdesign mit 400-VAC-Eingang wurde speziell für Anwendungen wie das Laden von Elektrofahrzeugen unter Berücksichtigung von Smart-Grid-Gesichtspunkten entwickelt (Bild 3).

Es erzeugt eine 750-VDC-Ausgangsspannung und erzielt einen Wirkungsgrad von 97 Prozent und einen Leistungsfaktor von 0,99 oder besser. Das Referenz-Design basiert auf einem brückenlosen 3-Phasen-Totem-Pole-Design, das jede Phase direkt von einer 50-Hz- oder 60-Hz-Leitung zwischen 312 VAC und 528 VAC schaltet. Kombiniert mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler bietet das Design eine Gesamtlösung für EV-Ladegeräte (Bild 4). Ein passender Design-Vorschlag für einen DC/DC-Wandler steht von Toshiba zur Verfügung.

Eine intelligente Ansteuerung der 1200-V-SiC-MOSFET trägt maßgeblich zur Effizienzsteigerung bei. Diese Aufgabe übernimmt im PFC-Referenz-Design der Smart-Gate-Treiber TLP5214A. Mit Schaltfrequenzen von bis zu 50 kHz lassen sich die Größe der benötigten Induktivitäten und somit auch die Gesamtgröße des Leistungswandlers reduzieren. Die höhere Schaltfrequenz und die höheren Flankensteilheiten der Signale können zu Herausforderungen bei der Einhaltung der EMV-Grenzwerten führen. Die Schaltgeschwindigkeit des TLP5214A-Gate-Treibers lässt sich jedoch einfach durch serielle Gate-Widerstände anpassen. Ein verbessertes EMV-Verhalten kann allerdings Auswirkungen auf die Gesamteffizienz haben.

Entscheidend für die optimale Ansteuerung von SiC-MOSFETs ist das Anlegen des richtigen Gate-Signals, wobei die im Datenblatt des TW070J120B definierten Gate-Spannungen unbedingt einzuhalten sind. Im Referenz-Design wird eine Gate-Spannung zwischen -2 V und 18 V benutzt. Beim TW070J120B sind Maximalwerte von -10 V und 25 V spezifiziert, womit sich eine ausreichende Sicherheitsmarge ergibt.

Beim Einschalten benötigt das Gate des Power-SiC-MOSFETs TW070J120B eine elektrische Ladung von 70 nC. Der Gate-Treiber muss in der Lage sein, diese bei der gewählten Schaltfrequenz bereitzustellen. Der verwendete Smart-Gate-Treiber TLP5214A liefert an seinem Ausgang bis zu ±4 A, was ausreicht, um das Gate des TW070J120B schnell zu schalten. Darüber hinaus ist er mit Überstromschutz und Unterspannungssperre ausgestattet, um ein sicheres Verhalten im Fehlerfall zu gewährleisten.

Fazit: Die rasche Einführung von Elektrofahrzeugen rückt die Herausforderungen an die Ladetechnik in den Mittelpunkt. Bei den hohen Leistungen, um die es hier geht, führt jeder Prozentpunkt an Effizienz zu Hunderten Watt Verlustleistung, die während des Betriebs eingespart werden können. Während der Großteil der aktiven PFC-Designs traditionell auf IGBTs basiert, erfordern auf kommende Designs eine höhere Leistungsfähigkeit, die den Wirkungsgrad bis an die Grenze des Möglichen treibt. SiC, eine robuste und Hochvolt-fähige WBG-Halbleitertechnologie, verdrängt IGBTs in solchen Anwendungen. Durch sorgfältig entwickelte Referenz-Designs, wie dem 3-Phasen-400-V-PFC von Toshiba, können Entwickler solche Designs schnell evaluieren und sich mit der SiC-MOSFET-Technik vertraut machen, um schnell stabile und zuverlässige Leistungswandler zu realisieren. //KU

* * Dr.-Ing. Matthias Ortmann ... ist Chief Engineer Application Support bei Toshiba Electronics Europe.

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