Inductive Feed Forward
In vielen leistungselektronischen Bereichen ist das Ziel die Frequenz der Pulsweitenmodulation (PWM) zu erhöhen. Dadurch können passive Bauelemente verkleinert und somit Kosten und Bauraum reduziert werden. Allerdings gibt es in jedem Schaltvorgang einen Zeitbereich, in dem Strom durch den Halbleiter fließt während noch eine Drain-Source-Spannung anliegt. Das führt zu Schaltenergieverlusten, welche den Halbleiter aufheizen. Die meisten Verluste entstehen im Einschaltvorgang, da der Ausschaltvorgang nur für ein Umladen der parasitären Elemente sorgt. Stand der Technik zur Vermeidung der Überhitzung der Halbleiter sind bisher ein größerer Kühlkörper und geringere Schaltfrequenzen.
Doch durch ein geschicktes PCB-Design kann der Schaltvorgang und somit die Zeit, in der Strom und Spannung gleichzeitig auftreten, verringert werden. Bei dem induktiven Feed Forward Verfahren (iFF) wird der Anstieg des Drainstromes verwendet, um den Strom im Gate-Kreis zu erhöhen. Dadurch lässt sich im Einschaltvorgang die Ausschaltgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung erhöhen.
Durch dieses Verfahren kann somit ohne zusätzliche Kosten die Einschaltenergie verringert werden.
Dass das iFF-Verfahren die Schaltverluste verringert, ist in der Dissertation von Dr.-Ing. Michael Ebli schon bewiesen worden. Durch einen im PCB integrierten Transformator wird die Stromänderung durch den Wide-Bandgap-Transistor in den Einschaltpfad des Gatekreises übertragen. Dies beschleunigt das Umladen der Miller-Kapazität, sodass die Drain-Source-Spannung schneller gegen 0 V strebt. Die Herausforderung besteht nun darin, das Schaltverhalten so zu optimieren, dass der Schaltvorgang effizienter und stabiler verläuft. Das bedeutet, dass die parasitäre Induktivität innerhalb des Gatekreises und im Leistungspfad so klein wie möglich gehalten werden sollen und die Koppelinduktivität des iFF-Verfahrens möglichst groß ausgelegt wird. Die Optimierung des iFF-Verfahrens gelingt mittels der Momentenmethode in Ansys und dem Schaltungssimulator LTSpice. Desweiteren wird der Einfluss des iFF-Verfahrens auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) betrachtet.
- Optimierung eines Leistungskreises mittels der Momentenmethode (MoM) von Ansys und dem Schaltungssimulator LTSpice für ein schnelles und stabiles Schaltverhalten
- Optimierung des iFF-Verfahrens zur Reduzierung der Schaltverluste
- Erstellung einer Doppelpulsmessung zur Validierung und Verifikation des Schaltverhaltens einer induktiven Last
- Betrachtung der EMV durch das iFF-Verfahren
- Kompaktes Schaltungsdesign für den Automotive-Bereich
Kontakt
Publikationen
Michael Ebli
Beschleunigte Ansteuerung von Leistungshalbleitern durch induktive Mitkopplung, 07.06.2019, doi: 10.17877/DE290R-20433
Hackel J.; Pfost, M.: Improved Inductive Feed-Forward for Fast Turn-On of Power Semiconductors during Hard Switching, IEEE European Conference on Power Electronics and Applications, 2019, doi: 10.23919/EPE.2019.8914861
Hackel J.; Pfost, M.: Novel Design for a Coreless Printed Circuit Board Transformer realizing High Bandwidth and Coupling, IEEE European Conference on Power Electronics and Applications, 2019, doi: 10.23919/EPE.2019.8915055
Ebli, M.; Hackel J.; Pfost, M.: A Novel Gate Driving Approach to Balance the Transient Current of Parallel-Connected GaN-HEMTs, IEEE International Conference on Integrated Power Electronic Systems, 2018, ISBN: 978-3-8007-4540-1
Ebli, M.; Pfost, M.: A Gate Driver Approach using Inductive Feedback to Decrease the Turn-on Losses of Power Transistors, IEEE International Exhibition and Conference for Power Electronics, 2018, ISBN: 978-3-8007-4646-0
Ebli, M.; Pfost, M.: A Novel Gate Driver Approach Using an Inductive Feed Forward for a Robust Turn-on of GaN Power Transistors with Gate Injection, IEEE European Conference on Power Electronics and Applications, 2018, ISBN: 978-9-0758-1528-3