Stromversorgung mit SiC-Leistungsschaltern LLC-Topologie mit 2 kW Leistung und 97% Wirkungsgrad

SiC-Bipolar-Leistungsschalter sind mittlerweile für den Einsatz in vielen Anwendungen gut geeignet. Wie sich Stromversorgungen mit hoher Leistungsdichte realisieren lassen, zeigt der Beitrag.

Anbieter zum Thema

ET System electronic GmbH

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Fairchild Semiconductor

Viele industrielle Applikationen und stationäre Anwendungen in der Telekommunikation oder Computing benötigen Stromversorgungen im Leistungsbereich 2 bis 4 kW oder mehr, die aus höheren Netz-Spannungen betrieben werden können. Hier können die Eingangsspannungen im Bereich 380VAC bis 477VAC liegen. Dadurch ergeben sich hohe Zwischenkreisspannungen, die den Einsatz von Leistungsschaltern mit hoher Durchbruchspannung erzwingen.

Bisher standen dafür nur IGBTs oder Bipolartransistoren zur Verfügung, die keine hohen Schaltfrequenzen erlauben, aufgrund des sehr langsamen Ausschaltvorgangs dieser Transistoren. Für diesen Spannungsbereich gibt es zwar einige Silizium-basierte MOSFETs, diese weisen aber einen hohen Einschaltwiderstand auf, und scheiden damit als Kandidaten aus. Damit sind diese Stromversorgungen immer sehr groß und schwer, und die Verluste sind höher als notwendig, da insbesondere hohe Kupferverluste auftreten.

Bildergalerie

Die wichtigsten Eigenschaften dieser Stromversorgungen sind neben hoher Zuverlässigkeit und kompakter Bauform auch ein guter Wirkungsgrad. Da viele dieser Systeme redundant betrieben werden, ist insbesondere auch der Wirkungsgrad im Teillast-Betrieb wichtig, bei 50% oder 33% der Nenn-Ausgangsleistung. Dadurch rücken die Verluste bei niedriger Ausgangslast in den Blickpunkt. Diese Verluste sind oft die Eigenverluste, die zur Selbstversorgung der Schaltung beziehungsweise zur Ansteuerung der Schalter benötigt werden.

Sie können auch durch Ummagnetisierungsverluste hartmagnetischer Materialien verursacht werden. In diesem Leistungsbereich gibt es viele verschiedene Topologien, getrieben von den verfügbaren Technologien für Leistungsschalter, aber auch passiven Komponenten. Eine Topologie, die immer mehr Fuß fasst, ist die LLC-Topologie, wie in Bild 1 schematisch dargestellt.

Hier wird ein Transformator mit einer Halbbrücke angesteuert, mit Hilfe einer weiteren Spule L1 und eines Kondensators, hier aufgeteilt in C2 und C3. Bei kleineren Leistungen kann die zweite Spule durch die parasitäre Induktivität des Transformators auf der Primär-Seite dargestellt werden; bei höherer Leistung ist es vorteilhaft eine separate Spule dafür zu verwenden, um mehr Freiheitsgrade im Entwurf zu haben, sowie die entstehende Verlustleistung durch Kupfer-Verluste besser verteilen zu können.

Damit kann eine Überhitzung des Transformators vermieden werden, was dessen Lebensdauer deutlich erhöht. Der Transformator wird mit einem Rechteck-Signal angesteuert wird, und durch die quasi-resonante Wirkungsweise ergibt sich ein fast sinusförmiger Strom im Transformator, wodurch LLC-Konverter sehr wenig Störsignale erzeugen. Damit lässt sich der EMI-Filter am Eingang kleiner bauen, was die Verluste im Filter verringert und so Leistungsdichte und Wirkungsgrad verbessert.

Mit dem kleinen Transformator in Serie mit L1 wird der primärseitige Strom gemessen. Als Leistungsschalter kommen hier Silizium-Karbid-Bipolartransistoren zum Einsatz, die mit Hilfe eines regulären MOSFET-Treibers angesteuert werden, wobei das Widerstand-Dioden-Netzwerk am Ausgang illustriert, wie mit R201 ein geeigneter Basisstrom eingestellt werden kann, und durch die Parallelschaltung von R201 und R202 ein schnelles Ausschalten möglich ist.

Mit dieser Schaltung wird kein sehr schneller Einschaltvorgang erreicht, der aber für die quasiresonante Arbeitsweise der LLC-Topologie auch nicht notwendig ist, da hier die Schalter im Spannungstiefpunkt einschalten. Für hart schaltende Topologien, wie beispielsweise Vollbrückenwandler, ist ein schnelles Ein- und Ausschalten notwendig, hierfür wurde von Fairchild eine Basistreiber-Schaltung mit zusätzlichen Elementen entwickelt, die einen hohen Stromstoss beim Ein- und Ausschalten erzeugt, womit auch in hart schaltenden Anwendungen ein Spannungsabfall von mehr als 800 V in 20 ns erreicht werden kann.

In diesem Aufbau weisen beide Treiber eine isolierte Hilfsstromversorgung auf, was bei dem unteren Schalter nicht unbedingt nötig wäre. In industriellen Anwendungen findet man dies allerdings oft trotzdem, da durch die hohen Ströme im Leistungszweig häufig das Massepotenzial stark verschieden vom Massepotenzial der Kontroll-Schaltung sein kann. Das Ansteuersignal muss natürlich ebenfalls potenzialfrei übertragen werden. Hierfür wurden schnelle Optokoppler vom Typ FODM8071 verwendet, die eine äußerst geringe Verzögerungszeit von <60 ns sowie Pulsbreiten-Variation von <20 ns aufweisen, was für den Betrieb bei den hier angedachten Schaltfrequenzen ausschlaggebend ist.

(ID:39139290)