Die Haltbarkeit von Isoliersystemen wird durch viele Faktoren beeinflusst. Steile, repetitive Hochspannungsimpulse stellen nicht nur die Isoliersysteme, sondern auch die Entwickler der Prüfstände vor große Herausforderungen. In einem älteren Beitrag haben wir die Herausforderungen aufgezeigt, mit denen Ihre Komponenten konfrontiert sind. In diesem Blog stellen wir unsere neuesten innovativen Ansätze vor, die Ihnen helfen, Ihre Komponenten optimal auf diese Belastungen vorzubereiten.
Brachiale Performance in einem Schalter
Die meisten herkömmlichen Prüfsysteme verwenden einzelne Transistoren wie IGBTs und MOSFETs als Schaltelemente. IGBTs können hohe Spannungen handhaben, sind jedoch auf Schaltfrequenzen bis maximal 50 kHz begrenzt. Es gibt zwar MOSFETs, die im Hochspannungsbereich arbeiten können, doch ihre Stromtragfähigkeit und Schaltgeschwindigkeit sind eingeschränkt. Daher haben Prüfsysteme, die auf diesen Transistoren basieren, immer einen Nachteil: Sie können entweder keine schnellen Pulse, hohen
Frequenzen, hohen Ströme, hohen Spannungen oder Rechteckimpulse effizient schalten. Doch welche Alternativen gibt es, wenn einzelne Transistoren nicht ausreichen?
„Two for the price of one.“
Durch die Kombination von MOSFETs und JFETs lassen sich die Vorteile beider Transistoren nutzen. Diese Schaltung wird als Kaskode bezeichnet. Im Folgenden soll anhand einer einstufigen Kaskode die Funktionsweise erläutert werden:
Der Grundzustand einer einstufigen Kaskode ist in Abb. 1 dargestellt. Wird nun der MOSFET eingeschaltet (Abb. 1), liegt an den Source- und Gate-Anschlüssen von J1 das gleiche Potential an, wodurch er einschaltet. Die Kaskode befindet sich nun im eingeschalteten Zustand. Wird der MOSFET wieder ausgeschaltet (Abb. 2), entsteht ein Potentialunterschied zwischen Gate und Source von J1, wodurch dieser abschaltet. Die Kaskode kehrt in den Grundzustand zurück.
Das ist die simpelste Form einer Kaskodenschaltung. Wir haben diese Schaltung auf eine 6-stufige Kaskode erweitert und mit einer Hilfsschaltung ausgestattet, welche die Synchronität der einzelnen Stufen verbessert. Das Ergebnis ist unsere optimierte und leistungsstarke Ultrakaskode. Sie ermöglicht rapides Schalten, hohe Spannungsbelastbarkeit, weite Frequenzbereiche und eine gute Stromtragfähigkeit.
Die Ultrakaskode erreicht die folgenden Parameter (siehe Tabelle 1):
Warum verwenden wir keine GaN-Halbleiter?
Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) sind Halbleitermaterialien, die aufgrund ihrer „WideBandgap“-Eigenschaften hohe Sperrspannungen ermöglichen. Warum setzen wir also keine GaN-Halbleiter ein? Der Vergleich der Materialien ist in Tabelle 2 dargestellt:
Die thermische Leitfähigkeit und die Leistungsdichte sind bei Silizium-Halbleitern am schlechtesten, jedoch ist ihre Schaltperformance sehr gut. SiC und GaN sind sich in ihren Eigenschaften ähnlich, wobei SiC JFETs aufgrund ihrer hohen thermischen Leitfähigkeit höhere Leistungsdichten erreichen können. GaN ermöglicht höhere Frequenzen und kürzere Schaltzeiten. Derzeit verwenden wir SiC JFETs, da GaN JFETs mit Spannungen über 1 kV noch nicht verfügbar sind. Wir erwarten jedoch, dass die Schaltzeiten weiter minimiert werden können, sobald diese Technologie verfügbar ist.
Ausblick
In diesem Eintrag haben wir Ihnen die Ultrakaskode mit ihren beeindruckenden Leistungsparametern vorgestellt. Wir arbeiten kontinuierlich daran, die Ultrakaskode noch leistungsfähiger zu machen und neue Wege mit verschiedenen Schaltungstopologien zu gehen. Bleiben Sie gespannt auf zukünftige Entwicklungen! Weitere Einzelheiten werden in einem zukünftigen Blogbeitrag folgen.
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