Vereinfachung des EV-Power-Designs durch Überwindung der Gate-Treiber-Power-Herausforderung

Energieumwandlungssysteme in Elektrofahrzeugen folgen der Halbbrückenkonfiguration. Dieser Artikel untersucht das IGBT-Halbbrückendesign einer Hochspannungsseite (Ausgangsstufe) des Gate-Treibers.

Bei Elektroautos dreht sich alles um Macht. Große Batteriepakete liefern Strom an verschiedene Stromwandlersysteme durch hohe Spannungen und Ströme, und der Haupt-DC-DC-Wandler liefert Strom an die Niederspannungssysteme in einem Fahrzeug. Der Traktionsinverter liefert mechanische Leistung an die Räder. Schließlich liefert das Batterieladesystem Strom an die Batterie, um den gesamten Prozess von vorne zu beginnen. Jedes System wandelt Energie von einer Form in eine andere um.

Die Halbbrückenkonfiguration

Das Herzstück dieser Systeme ist einer der Schlüsselbausteine ​​heutiger Stromrichtersysteme:die Halbbrückenkonfiguration. In dieser Konfiguration schalten ein High-Side-Schalter und ein Low-Side-Schalter die Verbindungen der Last zwischen den positiven und negativen Hochspannungsschienen schnell um. Das Ansteuern der Gates dieser Schalter ist für die Maximierung der Effizienz unerlässlich, indem sie sich so weit wie möglich wie ideale Schalter verhalten. Durch das Verständnis des Stromflusses von Gate-Treibern in die Schaltgeräte kann die Gate-Treiberleistung so gestaltet werden, dass vereinfachte Platinenlayouts, reduzierte Kosten und eine einfache Wiederverwendung in zukünftigen Designs realisiert werden.

EV-Systeme bezeichnen die positiven und negativen Hochspannungsschienen oft als DC Link+ und DC Link–. Abbildung 1 zeigt eine Halbbrückenschaltung aus IGBT-Bauelementen und eine aus Siliziumkarbid-(SiC)-FETs. Um einen IGBT einzuschalten, muss die Spannung vom Gate zum Emitter (VGE) über einen bestimmten Schwellenwert ansteigen.

Abbildung 1. Halbbrücken mit isolierten Gate-Treibern und IGBT-Schaltelementen und SiC-FET-Schaltelementen

Bei einem SiC-FET tritt diese Spannung ebenfalls vom Gate zur Source (VGS) auf. Der Einfachheit halber bezieht sich der Rest dieses Artikels auf ein IGBT-Halbbrückendesign; die besprochenen Prinzipien gelten jedoch auch für SiC-FET-Designs. Abbildung 1 zeigt auch isolierte Gate-Treiber. Aufgrund der hohen Spannungen in vielen EV-Systemen ist oft eine Isolierung erforderlich, um einen Niedervolt-Systemcontroller von der Hochvolt-Leistungsstufe zu trennen. Isolierte Gate-Treiber überbrücken diese beiden Domänen, sodass der Systemcontroller die IGBTs oder SiC-FETs der Leistungsstufe steuern kann. Der Einfachheit halber wird sich der Rest dieses Artikels wiederum nur auf die Hochspannungsseite (Ausgangsstufe) des Gate-Treibers beziehen.

Um einen IGBT einzuschalten, muss der Gate-Treiber die Gate-Spannung mindestens auf den VGE-Schwellenwert anheben und dann genügend Strom liefern, um das Gate aufzuladen und den IGBT vollständig einzuschalten. Für den an DC Link angeschlossenen Low-Side-Gate-Treiber ist dies ziemlich einfach. Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist die Ausgangsstufe des Gate-Treibers mit DC Link verbunden – als Masse und der positiven Schiene von „Power Domain 2“ für die VDD der Ausgangsstufe. Es zieht dann das Gate zu VDD, um das Low-Side-Gerät einzuschalten. Dies funktioniert, weil VDD auf DC Link– bezogen ist, der an den Emitter des IGBT gebunden ist; so wird eine positive VGE erzeugt. Für den High-Side-Gate-Treiber sind die Dinge nicht so einfach.

Um einen positiven VGE zu erzeugen, muss die Masse des High-Side-Gate-Treibers mit dem Emitter des High-Side-IGBT verbunden werden. Ohne diese Verbindung schwebt der Gate-Treiber im Wesentlichen in Bezug auf den Emitter des High-Side-IGBT und kann das Gate nicht ansteuern. Dies bedeutet auch, dass sich der High-Side-Gate-Treiber auf einer separaten Leistungsdomäne befinden muss. Wenn er an dieselbe Leistungsdomäne wie der Low-Side-Gate-Treiber angeschlossen ist, wird der Emitter des High-Side-IGBT mit dem DC Link verbunden – und das Halbbrücken-Setup unterbrechen. Somit hat die Architektur von Gate-Treiber-Leistungsdomänen, insbesondere in Systemen mit mehreren Halbbrückenschaltungen, einen enormen Einfluss auf die Systemkomplexität.

Konvertertopologien mit mehreren Halbbrückenkonfigurationen

Viele komplexe Wandlertopologien enthalten mehr als eine Halbbrückenkonfiguration. Zum Beispiel sind Motoren, die in den Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen verwendet werden, typischerweise Dreiphasenmotoren, bei denen jede Phase ein- und ausgeschaltet wird, um Bewegung zu erzeugen. Der Traktionswechselrichter verwendet drei Halbbrückenschaltungen, um jede Phase des Motors zu versorgen. Bei sechs Leistungsbausteinen und Gate-Treibern hat eine sorgfältige Planung der Leistungsverteilung des Gate-Treibers einen großen Einfluss auf die Leistung. Der dreiphasige Wechselrichter veranschaulicht auch die Kompromisse für verschiedene Stromverteilungskonfigurationen, die auch für andere Systeme mit nur einer oder zwei Halbbrückenschaltungen relevant sind.

Bei einem dreiphasigen Wechselrichter teilen sich alle Low-Side-Geräte einen gemeinsamen DC Link– Anschluss zu ihrem Emitter; Somit können sich die Low-Side-Gate-Treiber alle eine gemeinsame Leistungsdomäne teilen. Leider sind die Emitter der High-Side-Gate-Treiber mit den verschiedenen Phasen des Systems verbunden, sodass drei separate Leistungsdomänen erforderlich sind, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2. Dreiphasensystem mit einem einzigen DC-DC-Wandler

Eine gängige Lösung für dieses Problem ist das Anschließen der Low-Side-Treiber an eine einzelne Leistungsdomäne und die anschließende Verwendung eines einzelnen DC-DC-Wandlers zur Erzeugung aller vier Stromschienen (ebenfalls in Abbildung 2 gezeigt). Dieser Ansatz führt jedoch häufig zu komplexen Platinenlayouts und langen PCB-Leiterbahnen, die in Hochfrequenzsystemen zu EMI-Problemen führen können. Das Erreichen einer engen Spannungsregelung auf allen vier Ausgangsschienen ist auch bei Verwendung eines einzelnen DC-DC-Controllers schwierig und kann schließlich zu Rauschen von der High-Side-Kopplung in die Low-Side durch den gemeinsamen Transformator führen. Dies ist insbesondere bei Hochfrequenz-SiC-Designs problematisch. Ein anderer Ansatz besteht darin, den DC-DC-Wandler in mehrere unabhängige DC-DC-Wandler aufzuteilen.

Die Aufteilung des DC-DC-Wandlers in mehrere unabhängige DC-DC-Wandler vereinfacht im Allgemeinen das PCB-Layout, reduziert die Leiterbahnlängen und ermöglicht eine saubere Regelung jeder Ausgangsschiene. Es reduziert auch das Rauschen zwischen den Leistungsdomänen erheblich und ermöglicht es SiC-basierten Systemen, hohe Schaltfrequenzen und maximale Effizienz zu erreichen. Darüber hinaus kann das Design des unabhängigen DC-DC-Wandlers in anderen Halbbrückenkonfigurationen mit weniger Schaltern wiederverwendet werden, z. B. in Vollbrückensystemen.

Integrieren von DC-DC-Controllern in Gate-Treiber

Anstatt sechs unabhängige DC-DC-Wandler (einen für jeden isolierten Gate-Treiber) zu verwenden, wird das System in der Regel in vier Wandler aufgeteilt, um die Kosten zu senken. Wie in Abbildung 3 gezeigt, integrieren einige Gate-Treiber, wie der Si828x von Silicon Labs, den DC-DC-Controller, um die Kosten und den Platz auf der Platine weiter zu reduzieren, und bieten denselben Gate-Treiber mit und ohne integrierten DC-DC-Controller. In vielen Fällen bietet diese Konfiguration das richtige Gleichgewicht zwischen Komplexität, Kosten und Leistung.

Abbildung 3. Dreiphasiges System mit Gate-Treibern mit integrierten DC-DC-Controllern und vier unabhängigen Leistungsbereichen

Elektrofahrzeuge und die Energieumwandlungssysteme, auf die sie angewiesen sind, werden bleiben. Da die Nachfrage nach höherer Effizienz und größerer Reichweite weiter wächst, werden Leistungssysteme forciert, um schnellere Schaltgeschwindigkeiten, komplexere Topologien und höhere Spannungen zu erreichen. Neue Leistungsschaltgeräte und Fortschritte in der Gate-Treibertechnologie werden die Effizienz von Halbbrückenschaltungen auf neue Höhen treiben. Aber auch wenn sich die Halbbrückenschaltung weiterentwickelt, wird die Power-Domain-Architektur für die kommenden Jahre eine kritische Designüberlegung bleiben.

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