Transiente Effekte in leistungselektronischen Schaltungen mit schnellschaltenden Leistungshalbleitern unter besonderer Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit

Abstract

Das Schalten von neuen Leistungshalbleitern innerhalb von wenigen ns stellt hohe Ansprüche an ein korrespondierendes Schaltungslayout sowie an das Design passiver Komponenten im Bezug auf minimierte parasitäre Elemente. Dies ist unter anderem für die elektromagnetische Verträglichkeit von Bedeutung. Diese Arbeit analysiert und bewertet transiente Effekte von schnellschaltenden Leistungshalbleitern mit speziellem Fokus auf die elektromagnetische Verträglichkeit und schlägt Maßnahmen zur Verbesserung vor. Das erhöhte Störpotential von Schaltungen mitWide Bandgap-Transistoren gegenüber Schaltungen mit konventionellen Si-IGBTs wird im Detail untersucht. Anhand eines beispielhaften DC/DC-Wandlers werden allgemeingültige Designrichtlinien für passive Komponenten sowie für das Schaltungslayout entwickelt. Hierbei werden sowohl die intra-EMV als auch geleitete und gestrahlte Störungen anhand von Messergebnissen analysiert und bewertet. Untersuchungen zum Einfluss von Halbleiterparametern zeigen deutlich, dass schaltbedingte Oszillationen im Resonanzkreis der Kommutierungszelle entstehen und parasitäre Antennenstrukturen anregen. Dadurch wird das Störspektrum oberhalb von 30MHz maßgeblich vergrößert. Die zur selektiven Analyse des Schaltverhaltens im Frequenzbereich entwickelte Methode ermöglicht es, zwischen den Einflüssen des Ein- und Ausschaltverhaltens auf das Störspektrum zu unterscheiden. Anhand von experimentellen Parametervariationen werden so vereinfachte Modelle für die Ein- und Ausschaltoszillation extrahiert. Auf deren Basis können analytische Ausdrücke unter der Beachtung der Anfangswerte aufgestellt werden. Diese vermitteln ein grundlegendes Verständnis konkreter Ursachen der Anregung der Oszillationen. Darauf aufbauend wird in dieser Arbeit eine Optimierungsstrategie entwickelt, um Schaltoszillationen zu vermeiden. Hiermit werden die Oszillationen durch genau eingestelltes Schalten minimiert. Somit ist es möglich, mit einer mittleren Schaltgeschwindigkeit zeitgleich Schaltverluste zu reduzieren und EMV-kritische Oszillationen zu eliminieren. Für das Einschalten bedeutet dies das korrekte Einstellen der Überstromspitze. Dass dies über die Gate-Ansteuerung umsetzbar ist, wird anhand von Simulationen sowie Versuchen gezeigt. Als einfachster Ansatz stellt ein RC-Glied im Gate-Kreis das Schaltverhalten bei definierter Stromsteilheit variabel ein und führt so zu einer Eliminierung der Einschaltoszillation. Bestätigt wird dies an einem Doppelpulsversuchsstand mit CoolMOS MOSFET und SiC Schottky Diode. Eine Alternative sind aktive Treiber. Simulationsergebnisse zeigen, dass bereits ein zusätzlicher Transistor im Gate-Kreis zur Minimierung von Oszillationen im Lastkreis beitragen kann. Der Einsatz eines integrierten aktiven Treibers mit einstellbarem Gate-Profil in einem Brückenzweig mit GaN HEMTs bestätigt die Validität der entwickelten Strategie. Sowohl eine effiziente Vorgehensweise zur Erstellung eines optimierenden Gate-Profiles als auch validierende EMV-Messungen der gestrahlten Störungen werden vorgestellt. Somit zeigen sowohl Simulations- als auch Messergebnisse die Anwendbarkeit der Optimierungsstrategie und deren positiven Einfluss auf das EMV-Verhalten für unterschiedliche Schaltungen und Leistungshalbleiter.