Hohe Leistungsdichte durch SiC-Bipolar-Leistungsschalter

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Fairchild Semiconductor

Die Vorzüge der Leistungskomponenten in SiC

Für Leistungsschalter mit 1200 V Spannungsfestigkeit gibt es wenige Alternativen, und aus den oben angeführten Gründen werden MOSFETs nicht verwendet, da sie keinen Vorteil gegenüber IGBTs bieten. Bipolar-Transistoren in Silizium-Karbid-Technologie bieten hier eine völlig neue Option. Diese Bauteile weisen mehrere Vorzüge auf, die sie zu einer guten Wahl insbesondere in Umrichter-Anwendungen machen.

Bild 3: Der Vergleich der Schaltverluste der SiC-BJTs mit SiC-MOSFETs und Silizium-IGBTs als Funktion des Kollektor / Drain-Stroms zeigt deutlich, warum ein Betrieb bei wesentlich höheren Schaltfrequenzen problemlos möglich ist
(Bild: Fairchild)

Ein grosser Vorteil liegt in der extrem schnellen Schaltgeschwindigkeit. Wenn in geschalteten Anwendungen der Leistungsschalter schließt, wird die Spannung an ihm zusammenbrechen, während der Strom ansteigt. Die Einschaltverluste sind ein Ergebnis des Stromes, der bereits fließt, während immer noch Spannung am Schalter ansteht; die Multiplikation der beiden führt zur Verlust-Energie für dieses Ereignis. Beim Ausschalten wird die Spannung am Schalter ansteigen, während weiterhin Strom durch den Schalter fließt.

Auch hier führt die Multiplikation der beiden zur Ausschalt-Energie. Für einen SiC-Bipolartransistor bei 10 A Kollektorstrom ist die Summe beider Energien ca. 200 µJ, während für einen Silizium-IGBT diese Energie ca. 700 µJ beträgt (Bild 2).

Der andere Vorteil liegt darin, dass SiC-Bipolartransistoren sich bezüglich Leitungsverluste fast wie MOSFETs verhalten. Ihre Sättigungsspannung ist vernachlässigbar und der Einschaltwiderstand sehr niedrig. Der FSICBH017A120 von Fairchild ist ein Transistor mit 1200 V Spannungsfestigkeit bei nur 17 mΩ Durchlasswiderstand.

Für einen 11-kW-Umrichter ist der nominale Ausgangsstrom 23,5 A bei 8 kHz Schaltfrequenz. Die gesamten Schaltverluste im SiC-BJT wären dann 3,8 W, während die Schaltverluste für den IGBT bei 13,2 W liegen würden. Die Leitungsverluste in diesem Fall betragen 9,4 W für den SiC-BJT und 37,6 W für den IGBT. Die Gesamtverluste betragen also 13,2 W für den SiC-BJT und 40,8 W für den IGBT, wobei die SiC-BJT-Verluste nur 32% der IGBT-Verluste betragen. Mit anderen Worten: die Verlustleistung im Leistungsschalter ist nur noch ein Drittel.

Offensichtlich ist das ein großer Vorteil. Denn für einen 11-kW-Umrichter mit Sinus-Kommutierung kann die Gesamt-Verlustleistung auf 120 bis 140 W reduziert werden, und der Aufwand für die Schaltschrank-Kühlung reduziert sich dementsprechend. Als weiterer Nutzen kann der Umrichter viel kleiner ausfallen, da die Kühlung innerhalb des Umrichters ebenfalls kleiner wird. Üblicherweise werden Kühltunnel mit Zwangsbelüftung verwendet, wobei hier die Verlustleistung der Lüfter nun ebenfalls verringert werden kann.

Es gibt viele andere Anwendungen, wie beispielsweise große Lüfter oder Pumpen, in denen es ein Vorteil wäre, den Umrichter in das Motorgehäuse zu integrieren. Das geht bei niedriger Verlustleistung natürlich viel einfacher. Diese Bauteile zeigen sich sehr robust in Industrie-Anwendungen. Die maximale Chip-Temperatur ist 175°C, was jedoch durch das Gehäuse begrenzt ist – SiC-Chips überleben viel höhere Temperaturen als Silizium-Chips. Dies erweitert den Spielraum für Überlast-Situationen, wie sie bei Kurzschlüssen am Ausgang auftreten können, wenn z.B. das Motorkabel durchtrennt wird.

Der Einschalt-Widerstand weist einen schwach positiven Temperatur-Koeffizienten auf, die Stromverstärkung einen schwach negativen Temperatur-Koeffizienten. Beide Faktoren helfen bei der Parallel-Schaltung von SiC-BJTs und der Vermeidung von Hot-Spots auf dem Chip, was die Robustheit weiter verbessert.

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Link: SiC-Lösungen von Fairchild

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