Power-Tipp Wechselrichter: So senken Sie Verluste und Erwärmung

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Bei Traktionswechselrichtern kommen zunehmend SiC-MOSFETs zum Einsatz. Besonders bei Spannungen oberhalb von 800 V sind Gate-Teiber mit hohen Treiberströmen wichtig. Denn dadurch kann man auf Kühlkörper oder zusätzliche Masselagen auf der Leiterplatte verzichten.

Angesichts des zunehmenden Wettbewerbsdrucks entwickeln die Hersteller von Elektrofahrzeugen (EVs) immer kostengünstigere Modelle mit immer größerer Reichweite. Dementsprechend wird an die Entwickler die Forderung gerichtet, die in den Systemen entstehenden Verluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad der Traktionswechselrichter zu steigern.

Geringere Verlustleistungen bedeuten weniger Wärmeentwicklung und daraus resultierend geringeres Gewicht, kleinere Abmessungen und weniger Kosten für das Gesamtsystem. Verstärken werden sich die Forderungen nach niedrigeren Verlusten durch den Trend zu Wechselrichtern mit immer höherer Leistung.

Waren Traktionswechselrichter in der Vergangenheit noch mit IGBTs bestückt, setzt man inzwischen vermehrt auf MOSFETs auf SiC-Basis, die höhere Schaltfrequenzen unterstützen, weniger Leitungs- und Schaltverluste verursachen und eine höhere Leistungs- und Stromdichte bieten.

Insbesondere bei Systemspannungen von 800 V und Leistungen von über 100 kW werden zum Ansteuern von SiC-MOSFETs isolierte Gate-Treiber mit zuverlässiger Isolation und hoher Treiberstärke sowie Ausfallüberwachungs- und Schutzfunktionen benötigt.

Speziell bei SiC-MOSFETs muss der Gate-Treiber-IC die Schalt- und Leitungsverluste minimieren, in die auch die zum Ein- und Abschalten erforderliche Energie eingeht. In der Kennlinie der Gate-Ladung von MOSFETs fällt ein horizontal verlaufender Abschnitt auf, der als Miller-Plateau bezeichnet wird (Bild 1).

Wenn ein SiC-MOSFET schaltet, passierte die Gate-Source-Spannung (U_GS) die Schwellenspannung (U_th), wird auf die Spannung des Miller-Plateaus (U_plt) geklemmt und verbleibt dort, weil Ladung und Kapazität festgelegt sind. Damit der MOSFET schaltet, muss genügend Ladung in das Gate gebracht oder von ihm entfernt werden.

Da dies im Interesse niedrigerer Verluste schnell erfolgen muss, steuert der isolierte Gate-Treiber das Gate mit einem hohen Strom an. Gemäß Gleichung 1 ist der Gate-Strom proportional zur Gate-Ladung:

Q_GATE = I_GATE × t_SW (Gl. 1)

Bei t_SW handelt es sich um die Einschaltzeit des MOSFETs.

SiC-MOSFET: Schnell durch das Miller-Plateau

In Traktionswechselrichtern mit einer Leistung von mehr als 150 kW sollte der isolierte Gate-Treiber einen Treiberstrom von mehr als 10 A unterstützen, um den SiC-MOSFET schnell durch das Miller-Plateau zu bringen und von den höheren Schaltfrequenzen zu profitieren. Je weniger Zeit der MOSFET im Miller-Plateau verbringt, umso geringer sind die Verluste und die Wärmeentwicklung.

Die Hochstrom-Gatetreiber UCC5870-Q1 und UCC5871-Q1 sind für 30 A ausgelegt, bieten Basisisolation bzw. verstärkte Isolation und besitzen eine SPI-Schnittstelle für die Kommunikation mit einem Mikrocontroller. In Bild 2 wird das Einschaltverhalten eines SiC-MOSFETs für den UCC5870-Q1 und ein Wettbewerbsprodukt verglichen.

Der UCC5870-Q1 kommt auf maximal 39 A und behält im Miller-Plateau einen Strom von 30 A bei, was das gewollte schnellere Einschalten bewirkt. Interessant sind übrigens auch die U_GATE-Kurven (blau) beider Bauelemente. Entscheidend aber ist: während es der UCC5870-Q1 bei der Miller-Spannung von 10 V auf einen Gate-Treiberstrom von 30 A bringt, sind es beim Konkurrenzprodukt nur 8 A.

Die Verlustleistung bewirkt eine Erwärmung, durch die sich das Wärmemanagement des Systems komplizierter gestalten kann, weil beispielsweise Kühlkörper oder Leiterplatten mit dickerer Kupferkaschierung benötigt werden.

Hohe Treiberströme tragen wegen der gerade geschilderten Zusammenhänge dazu bei, die Gehäusetemperatur des Gate-Treibers zu senken, wodurch man auf teure Kühlkörper oder zusätzliche Masselagen auf der Leiterplatte verzichten kann.

Der UCC5870-Q1 beispielsweise erwärmt sich durch seine niedrigeren Schaltverluste und seinen höheren Treiberstrom um 15 °C weniger als ein entsprechendes Konkurrenzprodukt. Dies verdeutlicht eine hohe Treiberstärke sehr plastisch.  (kr)

* George Lakkas ist Automotive Marketing Manager for High-Power Drivers bei Texas Instruments in Cary / USA.

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