Was ist die Totzeit eines Leistungswandlers und wie lässt sie sich steuern?

Der steigende Energeibedarf in der Automobilindustrie sowie bei kleinen Elektrofahrzeugen, Akku-Werkzeugen und Ladestationen treibt den Übergang zu 48-Volt-Versorgungssystemen voran. Diese Systeme bieten die Vorteile eines höheren Wirkungsgrads und geringerer Verluste sowie einer geringeren Größe und eines geringeren Gewichts. Alle diese Stromversorgungssysteme wandeln die über den 48-Volt-Bus gelieferte Versorgung in nutzbare Spannungen um, was den Einsatz von Leistungswandlern erfordert.

Leistungswandler nutzen Leistungsschaltverfahren, um 48 Volt Gleichspannung in ausgewählte Spannungen umzuwandeln. Ein typischer 48-Volt-Wandler, in diesem Fall der UCC28251PWR von Texas Instruments, basiert auf Leistungsschaltern in Halbbrückenkonfiguration wie Feldeffekttransistoren (FETs), die in Abbildung 1 als Q1 und Q2 dargestellt sind. Diese werden von einem PWM-Regler (Pulsweitenmodulation) gesteuert, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen und zu regeln.

Abbildung 1: Ein typischer DC/DC-Wandler nutzt einen PWM-Regler zur Ansteuerung von Leistungs-FETs in Halbbrückenkonfiguration. Der Regler passt die Pulsweite an den FET-Eingängen an, um die erforderliche Spannung am Ausgang (VOUT) zu erzeugen und zu regeln. (Bildquelle: Texas Instruments)

In dieser Schaltung bilden die FETs, Q1 und Q2, eine Halbbrückentopologie. Sie werden abwechselnd eingeschaltet, um den Transformator anzusteuern. Die FETs Q3 und Q4 sind Synchrongleichrichter, die die Schaltwellenform der Transformatorsekundärseite in Gleichspannung zurückwandeln. Durch den Einsatz von Synchrongleichrichtern werden die mit Halbleiter-Gleichrichtern verbundenen Reihenspannungsabfälle eliminiert, was den Wirkungsgrad verbessert. Diese Gleichrichter-FETs müssen synchron mit den primären Leistungsschaltkomponenten betrieben werden.

Zu den alternativen Wechselrichter-Topologien gehören die Voll- oder „H“-Brücke mit vier FETs oder die kaskadierte Vollbrücke mit sechs FETs, die für dreiphasige Wechselrichter verwendet wird. Alle diese Technologien verwenden ein oder mehrere Paare von Stromversorgungskomponenten. Die Paare sind in Reihe geschaltet, wie die FETs in Abbildung 1.

Bei jeder dieser Topologien gibt es zwei kritische Punkte. Der erste besteht darin, dass die Schaltkomponente an der High-Side (Q1) und der Low-Side (Q2) niemals gleichzeitig eingeschaltet sein dürfen. In diesem Fall kommt es zu einem Kurzschluss zwischen dem 48-Volt-Bus und Masse. Dieser Zustand wird als Durchschuss bezeichnet und beschädigt in der Regel die Leistungsschalter. Ein Durchschießen wird verhindert, indem die Schaltzeiten für jede Leistungskomponente unabhängig voneinander gesteuert werden. Das Ziel ist, dass die aktive Komponente ausgeschaltet wird, bevor die inaktive eingeschaltet wird.

Die Verzögerung zwischen den beiden Ereignissen (Einschalten und Ausschalten) wird als primäre Totzeit bezeichnet. Sie wird gemessen, indem die Übergangszeiten der Gate-Source-Spannung (V_GS)) der High-Side- und Low-Side-FETs bei maximaler Reglerpulsweite verglichen werden (Abbildung 2). Die Verzögerung zwischen den jeweiligen Übergängen ist die Totzeit.

Abbildung 2: Die primäre Totzeit wird durch den Vergleich der Übergangszeiten der VGS der High-Side- und Low-Side-FETs bei maximaler Reglerpulsweite gemessen. Die Verzögerung zwischen den jeweiligen Übergängen ist die Totzeit. In diesem Beispiel sind es 1,498 ns und 1,166 ns. (Bildquelle: Art Pini)

In Abbildung 2 beträgt die Verzögerung zwischen dem Ausschalten des Low-Side-FET (V_GS LO) und dem Einschalten des High-Side-FET (V_GS Hi) 1,498 ns. Dazu kommt die Verzögerung, wenn sich der High-Side-FET ausschaltet und der Low-Side-FET einschaltet, was 1,166 ns entspricht. Wenn beide gemessenen Verzögerungen positiv sind, ist die Totzeit akzeptabel. Beachten Sie, dass diese Messung bei der maximalen Pulsweite des PWM-Reglerausgangs erfolgt.

Während der Totzeit ist keine der beiden Komponenten leitend; das ist ein „Totzeit“-Verlust. Wie bei allen Verlusten wird es immer wichtiger, sie auf ein Minimum zu beschränken.

Ein zweiter kritischer Punkt ist die Koordinierung des Betriebs der Synchrongleichrichter mit den primären Schaltvorgängen.

Der in Abbildung 1 gezeigte Regler UCC28251PWR kann entweder Halb- oder Vollbrückenschaltungen steuern und liefert sowohl Gate-Treibersignale als auch die Synchrongleichrichterausgänge mit programmierbaren Verzögerungen. Der UCC28251PWR steuert die primärseitige Totzeit und bietet außerdem einen zyklusweisen Überstromschutz. Die Verzögerungen zwischen den primären Ausgängen und den sekundären Synchrongleichrichter-Ansteuersignalen, die als sekundäre Totzeit bezeichnet werden, sind über zwei externe Widerstände unabhängig voneinander programmierbar.

Der PWM-Regler wird in Verbindung mit einem primärseitigen Halbbrücken-Gate-Treiber-IC, dem UCC27210DDAR von Texas Instruments, verwendet. Dieser IC steuert beide Gate-Source-Eingänge der zwei N-Kanal-FETs in dieser Halbbrücken-Konfiguration. Er beeinflusst die primäre Totzeit aufgrund der seiner inhärenten Ausbreitungsverzögerung, die typischerweise 18 ns beträgt. Das Problem der Ausbreitungsverzögerung wird durch die Anpassung der Verzögerung zwischen den beiden Gate-Treiberausgängen minimiert. Die Ausgänge des Gate-Treiber-IC UCC27210DDAR sind mit einer Genauigkeit von 2 ns abgestimmt. Ein Gate-Treiber derselben Familie mit ähnlichen Timing-Eigenschaften wird zur Ansteuerung der Synchrongleichrichter-FETs verwendet.

Fazit

Die Umstellung auf 48-Volt-Systeme bietet Vorteile in Bezug auf Effizienz, Größe und Gewicht, aber Konstrukteure müssen die Ursache der Totzeit kennen und wissen, wie sie zu minimieren ist. Wie gezeigt, gibt es spezielle ICs mit den notwendigen Funktionen zur Sicherung des Betriebs von 48-Volt-Leistungswandlern. Sie steuern sowohl die primäre als auch die sekundäre Totzeit und beseitigen damit die wichtigsten möglichen Probleme sowohl für Halb- als auch für Vollbrückenschaltungen.