GaN-Kaskode mit ausgezeichnetem Bodydioden-Verhalten

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Technologische Trends bei Wechselrichtern

Wechselrichter für Motorantriebe haben sich im Laufe der letzten 30 Jahre, seit die ersten IGBTs in den Handel kamen, in vielfältiger Weise weiterentwickelt. Ursprünglich lag der Fokus auf Leistungs- und Regelungsaspekten für Servomotor-Applikationen, bei denen die neuen Technologien eine schnellere Regelschleifen-Bandbreite erzielen sowie denselben Motoren eine höhere Leistung abfordern konnten. In dem Maße, in dem sich die Regelprozessoren und die Leistungselektronik verbesserten und erschwinglicher wurden, weitete sich der Technologietrend auf kostensensiblere Einsatzgebiete wie energieeffiziente Haushaltsgeräte aus.

In Leistungsbereichen über einigen hundert Watt haben IGBTs als Leistungsschalter der Wahl für Motorwechselrichter das Feld vollständig beherrscht. IGBTs bieten einen guten Kompromiss zwischen Wirkungsgrad, Performance und Kosten. Hochspannungs-MOSFETs auf der anderen Seite werden selten eingesetzt, ausgenommen bei niedrigen Leistungen. Um darzulegen, warum das so ist, vergleicht der nachfolgende Abschnitt Si-MOSFETs mit IGBTs beim Einsatz in einem typischen 3-Phasen-Wechselrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis, der heutzutage am meisten verwendeten Topologie. Anschließend wird die GaN-Kaskode vorgestellt.

Die beiden hauptsächlichen Verlustanteile für Wechselrichterschalter sind Leitungsverlust und Schaltverlust. Jedoch steht für jeden dieser Leistungsverlust-Mechanismen kein individueller Wert des Gütefaktors (FOM, Figure of Merit) zur Verfügung, der eine exakte Beschreibung der Verluste über den sehr weiten Betriebsbereich moderner Wechselrichter für Motorantriebe liefert (einschließlich dem vollen Drehmoment bei Stillstand, bei leichten Lasten bis zum Betrieb bei Höchstgeschwindigkeit).

Man betrachte beispielsweise den Leitungsverlust: Im eingeschalteten (On-)Zustand verhalten sich MOSFETs wie temperaturabhängige Widerstände. Die Verluste über einen Kommutierungszyklus lassen sich schätzen als I²_rms mal dem Rds(on) bei dieser Temperatur. Daraus ergibt sich die Tendenz, MOSFETs zu bevorzugen: Sie sind durch einen besseren Leichtlast-Wirkungsgrad gekennzeichnet, weil die Verluste zum Quadrat des Motorstroms proportional sind.

Im Gegensatz dazu sind IGBTs durch einen intrinsischen Bipolar-Spannungsabfall charakterisiert, der eine steile Anfangsflanke aufweist, die mit steigendem Strom immer flacher wird (deshalb sind IGBTs im Vergleich zu FETs bei einer gegebenen Chipgröße durch gute Leistung bei schweren Lasten gekennzeichnet, allerdings auf Kosten des Leichtlast-Wirkungsgrads).

Und, bleiben wir bei der Chipgröße, konduktiv modulierte IGBTs verhalten sich bezüglich ihrer Fähigkeit, hohe Ströme pro Flächeneinheit zu verarbeiten, wesentlich besser. Und selbst wenn man die Fläche hinzurechnet, die für die unumgängliche Co-Pack-Diode erforderlich ist, beansprucht die IGBT-Lösung normalerweise weniger Platz als ein gleichwertiger FET. Eine vergrößerte Chipfläche bei FETs senkt die Leitungsverluste bei allen Belastungen, während eine größere Chipfläche bei IGBTs nur zu sehr geringen Verbesserungen beim Leichtlastwirkungsgrad führt. Das Leitungsverhalten von drei Bausteinen wird in Bild 1 verglichen: gleiche Chipfläche bei 500-V-Si-FET-, 600-V-IGBT- und 600-V-GaN-Kaskoden-Schalter.

Sowohl GaN-Schalter als auch Si-FETs zeigen ein widerstandsbehaftetes Verhalten in den Quadranten I und III, wobei davon auszugehen ist, dass die FETs in Synchrongleichrichter-Betriebsart arbeiten, um den Leitungsverlust der Bodydiode zu vermeiden. Die Kennwerte des bipolaren Sperrschicht-Abfalls von IGBT sind eindeutig zu erkennen; sie liefern die Erklärung dafür, weshalb die FETs einen geringeren Leitungsverlust aufweisen, besonders bei leichten Lasten. Wird der Strom über die Grenzen dieser Messung hinaus erhöht, wird die Kurve des Vorwärtsspannungsabfalls von beiden FETs schließlich die IGBT-Kurve schneiden und höhere Verluste zeigen. Doch in diesem Beispiel lag die Stromgrenze bei ±5 A.

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