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Dynamische SiC-Treiber

Herausforderungen an Gate-Treiber für effiziente SiC-Umrichter

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Anbieter zum Thema

SEMIKRON International GmbH
FAULHABER Antriebssysteme
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Zwei Maßnahmen für hohe Sicherheit

Eine weitere Herausforderung sind die Schaltschwellen. SiC-MOSFETs haben mit etwa 3 V im Vergleich zu Si-IGBTs geringere Threshold-Spannungen mit einem im Vergleich zum IGBT starken Temperaturkoeffizient. Das führt zu dem Risiko, dass bei üblichen Betriebstemperaturen und den höheren di/dt-Werten ein ungeplantes Aufziehen der Gate-Spannung aufgrund von Einkoppeleffekten erfolgt. Das gilt sowohl für normale Schalt- als auch für Kurzschluss-Situationen. Zwei Maßnahmen können hier Abhilfe schaffen, eine möglichst niederinduktive Gate-Anbindung und ein Gate Clamping.

Dazu kommt, dass die durch den Komplementärschalter eingekoppelten Ströme das Gate zusätzlich negativ aufladen, was den Chip aufgrund der dünnen Gate-Oxidschicht beschädigen kann. SEMIKRON-Treiber bieten zur Sicherheit wahlweise ein Gate Clamping auf den Adapterplatinen für die SKYPER-Treiber-Cores oder ein aktives Gate Clamping in den höher integrierten IPMs wie SKiiP4.

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Die Anpassung der Gate-Spannungen erfolgt über eine Verschiebung des Source-Potenzials. Die Z-Diode limitiert die negative Gate-Spannung auf -5 V und verschiebt die positive Gate-Spannung über 18 V. Der Widerstand definiert den Stromfluss und verhindert einen Spannungseinbruch. Somit kann eine kosteneffiziente und robuste Ansteuerlösung für heutige SiC-Module sichergestellt werden. Dieses Prinzip bietet SEMIKRON für verschiedene Modul- und Treibertypen wie SKYPER 12 oder SKYPER 42 LJ von 20 bis zu 250kW.

Eine weitere Herausforderung sind die Modul-Induktivitäten der SiC-MOSFET-Gehäuse. Diese bilden im Gate-Pfad in Kombination mit den Chip-Kapazitäten Schwingkreise und führen zu unterschiedlichen Einkoppeleffekten. Generell reduziert eine Gate-Pfadinduktivität die Stromsteilheit der Ansteuerelektronik in das Gate und verlangsamt damit den Gate-Lade- und -Entladeprozess. Jedoch schlägt dieser Effekt ab einem gewissen Sättigungsgrad in die Gegenrichtung um und die gespeicherte Energie in den Gate-Pfaden beschleunigt den Einschaltprozess zusätzlich.

Aufgrund der geringen Gate-Widerstände, die für das schnelle SiC-Schalten benötigt werden, entfällt die Dämpfung durch den Widerstand dieses Schwingkreises. Das erfordert eine möglichste niederinduktive Treiberanbindung und die Optimierung der Gate-Widerstände zwischen Schwingverhalten und Verlusten über den kompletten Temperaturbereich.

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