Coreless planar transformer for hard-switching applications

Abstract

Leistungshalbleiter werden meist in schaltenden Anwendungen eingesetzt. Hartes Schalten ist hierfür ein gängiges und einfaches Funktionsprinzip, insbesondere bei induktiven Lasten. Hier können durch Verkürzung der Übergangsdauer zwischen Spannung und Strom die Schaltverluste reduziert werden. Die Nachteile schnellerer Übergänge in hart schaltenden Anwendungen sind in der Regel höhere Überschwingungen und außerdem die Erzeugung von elektromagnetischen Störungen. Die maximale Überspannung wird hierbei durch die Sperrspannung des Halbleiters begrenzt. Ein gängiger Ansatz zur Reduzierung der Überspannungen für einen Leistungshalbleiter ist die Minimierung der Induktivität im Leistungspfad. Ein in Reihe mit den Leistungsanschlüssen des Halbleiters geschalteter Transformator kann jedoch für verschiedene Anwendungen von Vorteil sein. Insbesondere die hohen Stromgradienten bei schnellen, harten Schaltvorgängen sorgt für eine hohe, und somit gut nutzbare Ausgangsspannung des Transformators. In dieser Arbeit wird ein neues Design eines kernlosen Planartransformators vorgestellt. Eine hohe magnetische Kopplung und ein einstellbares Übersetzungsverhältnis sowie eine besonders hohe Bandbreite sorgen dafür, dass die Induktivität in Reihe mit dem Halbleiter minimal gehalten werden kann. Der zweischichtige Aufbau ist zudem für verschiedene Substrate, insbesondere Leiterplatten, geeignet. Ein bis zur ersten Resonanzfrequenz gültiges Simulationsmodell des neuen Übertragerdesigns wurde erstellt und verifiziert. Die Anwendung, für die der Übertrager in dieser Arbeit hauptsächlich eingesetzt wird, ist das induktive Feed-Forward-Verfahren. Diese Methode zur Steuerung von Leistungshalbleitern beschleunigt das Umschalten in hart schaltenden Anwendungen. Die Methode wird analysiert und Verbesserungen für eine Auswahl von Leistungshalbleiter-Designs werden vorgeschlagen und verifiziert. Weiterhin wird die Ansteuerungsmethode modifiziert, um symmetrische Stromgradienten in parallel geschalteten Leistungshalbleitern zu erreichen. Außerdem wird der Übertrager vergleichbar zu einer Rogowski-Spule als Stromsensor genutzt, um die hohen Stromgradienten beim Schalten zu charakterisieren. Es wird gezeigt, dass durch verpolung der Sekundärwicklung das induktive Feed-Forward-Verfahren zur Verlangsamung des Schaltvorganges eingesetzt werden kann. In der letzten in dieser Arbeit vorgestellten Anwendung wird der Übertrager zur Erzeugung einer isolierten Versorgungsspannung für die Gate Ansteuerung eingesetzt. Die Anwendung ist besonders vorteilhaft, wenn eine negative Versorgungsspannung erforderlich ist, z.B. aufgrund einer niedrigen Schwellspannung.