Hohe Leistungsdichte durch SiC-Bipolar-Leistungsschalter

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Fairchild Semiconductor

Die geeignete Platzierung ist wichtig

Für den Schaltungsentwickler ist der Einsatz von SiC-BJTs sehr einfach. Im Gegensatz zu MOSFETs oder IGBTs benötigen diese Transistoren einen Basis-Strom, der mithilfe des Kollektor-Stroms und der Stromverstärkung, multipliziert mit einem Faktor von 1,5 errechnet werden kann. Dieser höhere Basisstrom ist notwendig, um den Transistor sicher in der Sättigung zu halten. Der Basisstrom ist nicht sehr hoch und kann durch auf dem Markt erhältliche Treiberbausteine erbracht werden.

Bild 3 zeigt eine geeignete Schaltung für Basis-Treiber, mit der sich SiC-BJTs sehr schnell ansteuern lassen. Diese Schaltung wurde von Fairchild entwickelt und auch hergestellt, zusammen mit einem isolierten Spannungswandler und Optokoppler zur Signalübertragung sowie einer Schaltung zur Entsättigungserkennung.

Diese Schaltung verwendet einen Standard-MOSFET-Treiber, den FAN3121, im SO8-Gehäuse. Er wird hier mit einer bipolaren Spannung betrieben, um die Treiberverluste zu verringern. Die Basis-Emitter-Spannung eines SiC-BJTs ist ca. 3,5 V und die Differenz zur positiven Betriebsspannung des Treibers ist den Verlusten in der Treiberschaltung geschuldet. R228 und R229 bestimmen den Basis-Strom. C216 liefert die Stromspitzen für schnelles Ein- und Ausschalten, wobei der Spitzenstrom mit R227 eingestellt wird.

Die Schaltung um Q6 dient dazu, C216 zu laden, wenn der Treiberausgang negativ wird. R230 dient dazu, die Basis auf negativem Potenzial zu halten. Mit dieser Schaltung sind die Treiberverluste noch immer etwas höher als für IGBTs, aber dennoch auf sehr niedrigem Niveau. Für das zuvor genannte Beispiel mit einem Kollektor-Strom von 23,5 A und einer Stromverstärkung von 70 müsste der Basisstrom inklusive Übersteuerung 0,5 A betragen.

Bei einem durchschnittlichen Tastverhältnis von z.B. 35% betragen die Treiberverluste im Durchschnitt ca. 3 W, was unbedeutend ist im Verhältnis zu den anderen Verlustkomponenten im System. Diese Schaltung erlaubt eine schnelle und problemlose Verwendung dieser neuen Schalter in Umrichtern höherer Leistung.

Mit den neuen SiC-Leistungs-Bipolartransistoren als Schaltelemente können Verluste stark verringert werden; bei Antrieben mit Block-Kommutierung um etwa 33% und bei Sinus-Kommutierung sogar noch stärker.

* * Alfred Hesener verantwortet das Applications & Technical Marketing bei Fairchild Semiconductor, Fürstenfeldbruck.

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