Sinusförmig ansteuern – der Weg zu niedrigen Verlusten bei HV-IPDs

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Toshiba Europe GmbH

Die 600-V-MOSFETs bieten im Vergleich zu IGBT-basierten Treibern mehr Sicherheitsspielraum über der maximalen Betriebsspannung und erlauben ein kleineres SMD-Gehäuse. Mit der SMD-Technik vereinfacht sich die Montage der Module durch den automatisierten Pick-and-Place-Produktionsprozess. Die MOSFETs stammen aus Toshibas HSD-Serie (High-Speed Diode). Sie enthalten Body-Dioden mit schneller Sperr-Erholzeit und überzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Leistungs-MOSFETs durch einen höheren Wirkungsgrad.

Der neue Aufbau des Bausteins senkt den Wärmewiderstand nun auf 15 °C/W, was zu einer geringeren Wärmentwicklung als bei DIP-Gehäusen (Dual In-Line Package) führt. Der höhere Wirkungsgrad, der geringere Durchlasswiderstand (R_DS(on)) und das gegenüber IGBTs verbesserte Schaltverhalten sorgen insgesamt für weniger Leistungsverluste.

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Neben dem höheren Wirkungsgrad garantiert das Multi-Chip-Design, dass die erzeugte Wärme über das gesamte Gehäuse verteilt wird, wodurch die Gehäusetemperatur insgesamt sinkt. Im Gegensatz dazu sammelt sich in einem Single-Chip-Design die gesamte Wärme in einem monolithischen Chip.

Bild 4 vergleicht die Leistungsverluste des Moduls in Bezug auf gleichwertige Antriebe mit anderen HV-IPDs oder den TPD4144K unter vergleichbaren Betriebsbedingungen. Das Wärmeverhalten des MOSFET-basierten TPD4204F hat sich ebenfalls verbessert und ermöglicht den Betrieb des Controllers ohne Kühlkörper. Das Resultat: die Gesamtkosten und der Platzbedarf des Moduls sinken.

Die Totzeit des Bausteins wird mit nur 1,4 µs (Minimum) spezifiziert, und der integrierte Logik-Controller schützt den Baustein während dieser Zeit. Ohne Logik-Schutzschaltkreis können sich sowohl die High-Side- als auch die Low-Side-MOSFETs gleichzeitig einschalten, was zu einem Kurzschluss führt. Dagegen sorgt die Schutzvorrichtung zuverlässig dafür, dass Zeitfehler im Schaltvorgang keinen Ausfall verursachen können. Bei diesem Worst-Case-Szenario würde durch den integrierten Überstromschutz ein hoher Stromfluss erkannt, was eine Abschaltung der High- und Low-Side-MOSFETs zur Folge hätte, um eine Überlastung des Bausteins zu verhindern.

Evaluierungsboards für die einfache Analyse und Entwicklung

Toshibas Angebot an Bausteinen im DIP26-Gehäuse enthält anschlusskompatible ICs mit verschiedenen Nennströmen. Die Bausteine lassen sich somit einfach in zukünftige Designs mit unterschiedlichen Motorleistungen integrieren.

Ein ähnliches Konzept, basierend auf dem SOP30-Gehäuse, ist derzeit in der Design-Phase. Damit lassen sich dann geringere Verluste erzielen, ohne hohe Kosten für ein Redesign aufbringen zu müssen.

Damit neue HV-IPD-basierte Controller mit trapez- oder sinusförmiger Ansteuerung einfacher entwickelt werden können, bietet Toshiba eine Reihe von Evaluierungsboards, mit denen sich die Leistungsfähigkeit MOSFET- oder IGBT-basierter Module in neuen Designs testen lässt.

* Georges Tchouangue ist Chief Engineer Discrete Marketing – Power Semiconductors bei Toshiba Electronics Europe, Düsseldorf.

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