Siebe van Mensfoort is salesmanager en Dennis Stekelenburg is power electronics design engineer bij Prodrive Technologies.

7 November 2014

Elektronicahuis Prodrive Technologies ontwikkelde in nauwe samenwerking met Cree een aansturingsmodule voor de nieuwste siliciumcarbide mosfets. Toepassing van deze module en schakelaars maakt efficiëntere, compactere en in potentie goedkopere vermogensomzetters mogelijk.

Vermogensomzetters maken veelal gebruik van switched-mode-technieken, waarbij de hoofdstroom alternerend door het ene en dan weer door het andere pad wordt geleid. In een dergelijke halve-brugtopologie worden typisch transistoren als mosfets, Jfets of insulated-gate bipolar transistors (IGBT’s) toegepast voor het schakelen tussen beide paden.

Deze schakelaars zijn veelal op basis van silicium, maar bij hoge spanningen (tot 1700 volt) en stroomsterktes (tot 300 ampère) kunnen siliciumcarbide (SiC) mosfets (zie gelijknamig kader) een betere keuze zijn. Dit type transistoren kunnen niet alleen sneller schakelen, ze kunnen hoge vermogens ook met hogere efficiëntie omzetten. De resulterende lagere verliezen in de keten van opwekking, opslag, distributie en gebruik van elektrische energie helpen energieverbruik te reduceren.

Bij Prodrive Technologies hebben we recentelijk een aansturingsmodule, een zogeheten gatedriver (zie gelijknamig kader), ontwikkeld voor dergelijke SiC mosfets, en wel voor de 1200 en 1700 volt halve-brugvarianten die Cree onlangs op de markt heeft gebracht. Cree is een wereldspeler op het gebied van halfgeleiderproducten voor vermogens-, led- en rf-toepassingen. De door Prodrive ontwikkelde gatedriver stuurt twee SiC mosfets aan die in één package door Cree worden geleverd.

Prodrive gatedriver

Bij de ontwikkeling hebben we nauw samengewerkt met Cree. Dat heeft er niet alleen voor gezorgd dat de module maximale prestaties uit de mosfets haalt, maar ook dat de gatedriver direct bij introductie van de mosfet beschikbaar is. Bedrijven uit bijvoorbeeld de energie- en transportsector kunnen daarom gelijk tot integratie en systeemtests overgaan, in plaats van zelf de aansturing te moeten (laten) ontwikkelen.

Jitter

Naast efficiënter kan het totaalontwerp van een omvormer ook compacter en lichter worden door het gebruik van SiC mosfets en bijpassende gatedrivers. Dit is om twee redenen. Allereerst is het mogelijk om gebruik te maken van een kleiner koellichaam of kleinere heat sink, omdat er minder verloren warmte hoeft te worden afgevoerd. Daarnaast kan de vermogensspoel kleiner worden uitgevoerd, omdat er bij hogere frequenties geschakeld kan worden, waardoor typisch een kleinere inductie volstaat.

Cruciaal voor de succesvolle ontwikkeling van de gatedriver is de samenwerking met Cree. Waar veelgebruikte hoogvermogen-IGBT-modules niet veel meer dan twintig kilohertz halen, is het door deze samenwerking mogelijk om met de gatedriver de SiC mosfets in en uit te schakelen op een frequentie van 125 kHz.

Het was een uitdaging om ook bij dergelijke hoge frequenties de dynamische karakteristieken goed te houden. Denk bijvoorbeeld aan het klein genoeg houden van het tijdsverschil tussen het moment van schakelen van de onderste en van de bovenste mosfet in de halve brug. Deze mismatch bedraagt in de ontwikkelde gatedriver slechts 0,25 nanoseconden.

Voor een andere belangrijke dynamische parameter, de tijdsvertraging tussen het inkomend signaal van de gatedriver om de mosfet te schakelen en het daadwerkelijk schakelen ervan, de propagation delay, is het gelukt om onder de 125 nanoseconden te blijven.

Ook een derde belangrijke karakteristieke parameter, de jitter, oftewel het verschil in aankomsttijd van opeenvolgende gate-aansturingspulsen, hebben we zeer klein weten te houden: typisch één nanoseconde. Om deze dynamische karakteristieken te realiseren zonder concessies te doen aan de ongevoeligheid (immuniteit) voor verstoringen die het gevolg zijn van het snelle schakelen, hebben we differentiële signaaloverdracht gebruikt.

Door de kleinere en lichtere heat sink en spoelen kunnen SiC mosfetmodules in sommige gevallen op productniveau nu al concurrerend zijn in prijs, ondanks dat de modules an sich momenteel nog vrij duur zijn in vergelijking tot IGBT’s en mosfets op basis van silicium. Dit gaat des te meer op als we kijken naar de total cost of ownership, waarbij we de impact van de hogere efficiëntie meenemen. Met de verwachte prijsdaling ten gevolge van de opkomst van SiC mosfets en de inherente technologische voordelen die zij bieden, zullen we deze innovatieve schakelaars dan ook meer en meer toegepast zien.

Edited by Paul van Gerven