GaN-Kaskode mit ausgezeichnetem Bodydioden-Verhalten

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Schalten mit über 20 kHz bringt kaum Vorteile

Im Vergleich zu Stromversorgungen, die mit hundert kHz oder mehr arbeiten, werden Motorantriebe mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz betrieben. Der Hauptgrund darin, dass sich aus einem Betrieb der Schalter mit mehr als 20 kHz, also gerade außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs, keinerlei Performance-Vorteile ergeben. Der Gesamtwirkungsgrad ist bei niedrigeren Frequenzen im Allgemeinen besser, weil die Schaltverluste zur Frequenz proportional sind.

Wir bezeichnen zwar einen Wechselrichter für Motorantriebe als „hart geschaltet“, was bedeutet, dass sich ein oder mehrere Schalter in eine leitende Diode einschalten und während des Einschaltzeitraums sowohl den Laststrom als auch den Recovery-Strom der Diode verarbeiten müssen. Man beachte, dass dies nicht auf jede Einschalt-Schaltflanke zutrifft: Mindestens in der Hälfte der Zeit findet ein Schalten bei Nullspannung (ZVS, Zero Voltage Switching) statt, weil der Motorstrom den Ausgangsknoten während der Totzeit in die Gegenspannung treibt, was zu einem „freien“ verlustlosen Schaltintervall führt.

Die Sperrerholzeit der Dioden vergrößert also die Einschaltverluste. Allerdings können bei Bausteinen mit einer besonders schlechten Recovery-Performance der Bodydiode die Spitzenströme unzulässig hoch werden und auf diese Weise zusätzliche EMI sowie sogar ein unerwünschtes Abschalten und Überstrom-Schutzschaltungen nach sich ziehen. In diesem Fall ist es normalerweise notwendig, die Gate-Ansteuerung zum Schalter zu verlangsamen und dadurch das di/dt in der Freilaufdiode zu reduzieren (zum Beispiel durch eine Erhöhung des Rg). Dies wird zwar dazu beitragen, die Größe des Spitzen-Rückstroms zu senken, doch wird dadurch andererseits die Dauer der Einschalttransiente verlängert, was die Einschaltverluste weiter in die Höhe treibt.

Das ist der Hauptgrund dafür, weshalb Superjunction-FETs in Motorantrieb-Wechselrichtern nicht verwendet werden: Sie sind zwar in der Lage, einen niedrigen Rds(on) auf einer kleinen Fläche bei 600 V zu erreichen, doch eignet sich die Recovery-Performance der Bodydiode nicht für deren Einsatz in hart schaltenden Wechselrichtern.

Einschaltverluste werden aus diesem Grunde vor allem dadurch bestimmt, wie schnell der Baustein eingeschaltet werden kann, was wiederum oft durch die Bodydiode der IGBTs des Gegenschalters begrenzt wird. IGBTs, die üblicherweise mit hervorragenden Si-Dioden in einem Gehäuse untergebracht sind, zeichnen sich durch verhältnismäßig geringe Einschaltverluste aus, wohingegen Si-MOSFETs (und selbst FREDFETS) beträchtliche Probleme mit den Bodydioden haben können, was zu einem größeren Einschaltverlust führt.

Betrachten wir die Abschaltverluste: Man könnte behaupten, dass es mit einem idealen Schalter möglich ist, eine Nullspannung-Abschaltung auf jeder Flanke einer Halbbrücke zu erreichen, die eine induktive Last ansteuert. Der Trick besteht darin, den Schalter extrem schnell abzuschalten, noch ehe die Spannung über dem Schalter die Chance hat, sich von ihrem Wert der Einschaltspannung zu lösen. Dies lässt sich durch schnelle FETs erreichen, nicht jedoch durch IGBTs. Weil es sich bei IGBTs um bipolare Bauteile handelt, ist eine kleine, aber endliche Rekombinationszeit vorhanden, die einen Abschaltstrom-Schweif (Tail-Strom) zur Folge hat. Dadurch entsteht eine stromabhängige Abschaltenergie, die im Datenblatt des Bausteins spezifiziert wird.

Noch eine Bemerkung zum Thema Schaltverluste: bei vielen Motoren muss der an den Motor angelegte ausgangsseitige Spannungsanstieg dv/dt auf ungefähr 5 V/ns begrenzt werden. Der Grund dafür ist, dass höhere dv/dt-Raten einen Lichtbogen und eine teilweise Entladung auslösen können, was die Isolierung der Motorwicklung verschlechtert und zu einem vorzeitigen Ausfall der Isolierung führen kann. Deshalb werden die Schaltbausteine üblicherweise mit einem spezifischen Rg-Wert angesteuert, der die Schaltgeschwindigkeit und in der Folge das dv/dt begrenzt. Diese Maßnahme führen zu keiner Erhöhung der Schaltverluste, doch müssen dabei die dv/dt-Grenzwerte der Motorwicklung beachtet werden.

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