10 Anforderungen für den Einsatz in Photovoltaik-Wechselrichtern

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Fairchild Semiconductor

Anforderungen an MOSFETs für Wechselrichter

Welchen Ansprüchen müssen MOSFETs entsprechen, die in für Wechselrichter-Anwendungen eingesetzt werden sollen?

• Der spezifische Durchlasswiderstand (R_SP) sollte möglichst niedrig sein, um die Leitungsverluste zu reduzieren. Die R_DSON-Streuung zwischen den verwendeten Bauteilen sollte gering sein, was zwei Vorteile bringt. Erstens: die DC-Komponente am Wechselrichterausgang ist kleiner und der R_DSON kann als Stromsensor genutzt werden, um abnorme Zustände zu überwachen (meist in Niederspannungs-Wechselrichtern). Zweitens: Der niedrige R_SP reduziert die Die-Größe bei gleichem R_DSON, was die Kosten senkt.

• Ein induktives Schalten ohne Schutzschaltung sollte auch bei geringer Die-Größe möglich sein. Dazu muss die MOSFET-Zellstruktur entsprechend aufgebaut sein. Im Allgemeinen zeichnen sich moderne Trench-MOSFETs durch ein gutes UIS-Verhalten bei gleicher Die-Größe wie ein planarer MOSFET aus. Ein dünnes Die reduziert außerdem den Wärmewiderstand (R_thJC).

• Großer sicherer Arbeitsbereich und geringe Transkonduktanz.

• Es ist eine mäßig hohe Gate-Drain-Kapazität C_GD aber ein niedriges C_GD/C_GS-Verhältnis anzustreben. Die moderate C_GD vermindert die Störabstrahlungen. Das kleine C_GD/C_GS-Verhältnis reduziert die Gefahr einer Durchzündung. Da diese Wechselrichter nicht bei sehr hohen Frequenzen arbeiten, kann eine geringe Zunahme des Gate-ESR akzeptiert werden.

• Eine niedrige Ausgangskapazität C_OSS ist wünschenswert, um die Schaltverluste zu reduzieren, auch wenn die Arbeitsfrequenz relativ gering ist. Eine gewisse Steigerung des C_OSS ist akzeptabel.

• Plötzliche Änderungen von C_OSS und C_GD während des Schaltens können Gate-Einschwingvorgänge mit hohem Überschwingen verursachen, was das Gate im Laufe der Zeit schädigt.

• Die hohe Gate-Schwellwertspannung V_TH für die Parallelschaltung von MOSFETs ist eine weitere Forderung.

• Ideal ist eine sanft und schnell schaltende Body-Diode mit niedriger Reverse-Recovery-Ladung (Q_RR) und kurzer Reverse-Recovery-Zeit (T_RR). Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Durchzündung im Wechselrichter. Sehr schnelle Body-Dioden können eine Durchzündung und hohe Spannungsspitzen verursachen.

• In einigen Fällen ist ein hoher Drain-Pulsstrom (IDM) notwendig, um eine hohe Immunität bei einem Motoranlauf, dem Laden eines Ausgangsfilters oder bei einem Kurzschlussstrom zu gewährleisten.

• Ein kontrolliertes Ein- und Ausschalten, dv/dt und di/dt des MOSFETs erlaubt eine Beeinflussung der EMV.

• Schließlich ist die Reduzierung der Common-Source-Induktivität durch die Verwendung mehrerer Bonddrähte auf dem Die gefordert.

Vor- und Nachteil: der MOSFET mit schneller Body-Diode

MOSFETs mit schneller Body-Diode sind ideal für hochfrequente Wechselrichter geeignet, wie beispielsweise für Solar-Wechselrichter. Eine normale MOSFET-Body-Diode hat generell hohe T_RR- und Q_RR-Werte. Wird bei einem Wechselrichter der Laststrom von der Diode zum komplementären MOSFET umgeschaltet und leitet die Body-Diode in diesem Moment, dann fließt über die Dauer T_RR ein großer Strom aus der Stromversorgung. Dies erhöht den Einschaltverlust und reduziert so den Wirkungsgrad.

Eine sehr schnelle Body-Diode kann außerdem eine vorübergehende Durchzündung verursachen. Um dies zu vermeiden, wird eine externe SiC-Diode antiparallel zur Reihenschaltung des MOSFETs und der Schottky-Diode eingebaut (das ist in Bild 1 links dargestellt).

Wird die Spannung am MOSFET umgepolt, dann leitet die externe SiC-Diode, während die in Reihe geschaltete Schottky-Diode verhindert, dass die MOSFET-Body-Diode einschaltet. Diese Anordnung ist in Solar-Wechselrichtern mittlerweile sehr populär, um den Wirkungsgrad zu verbessern, verursacht aber zusätzliche Kosten.

Die Ultra FRFET-MOSFETs und die UniFET-MOSFETs von Fairchild Semiconductor sind Hochspannungs-Leistungsbauteile auf der Basis der MOSFET-Technologie, die speziell für diese Anwendungen geeignet sind. Die Die-Größe der UniFET-Bauteile wurde reduziert, dadurch ergibt sich ein kleinerer RSP, was auch die Erholzeit der Body-Diode verbessert.

Zwei Versionen sind verfügbar: FRFET-Bauteile mit mäßig guter Body-Diode und Ultra-FRFET-Bauteile mit sehr niedrigen Q_RR- und T_RR-Werten. Beim Ultra-FRFET-Bauteil werden keine SiC- und Schottky-Dioden im Wechselrichter benötigt; trotzdem lässt sich der gleiche Wirkungsgrad und eine Kostenreduzierung erreichen (Bild 1). Beim Ultra-FRFET-UniFET-II-MOSFET konnte gegenüber einem normalen UniFET-Bauteil die Reverse-Recovery-Ladung Q_RR von 3100 nC auf 260 nC reduziert werden, was drastisch geringere Schaltverluste zur Folge hat (Bild 2).

* * Sampat Shekhawat ... ist Systems Design/Architecture Engineer in Wilkes-Barre, Pennsylvania/USA.

* ** Bob Brockway ... ist Engineering Technician in Wilkes-Barre, Pennsylvania/USA

* *** BongJoo Choi ... ist Apps/Sys Engineer in Bucheon/Korea

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