Widebandgap-Halbleiter PCIM 2014: Packagedesign für schnelles Schalten

Die Eigenschaften von SiC- und GaN-Halbleiter bieten neue Perspektiven, bringen auch neue Probleme mit sich. Um einige dieser Probleme wird es in der Special Session der PCIM-Konferenz gehen.

Anbieter zum Thema

ROHM Semiconductor GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

RECOM Power GmbH

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Die Transistoren in der Leistungselektronik werden immer schneller, gleichzeitig nehmen allerdings EMV-Probleme und Schwingungseffekte beim Schalten erheblich zu. Grund dafür ist unter anderem in der Aufbau- und Verbindungstechnik der Halbleiter zu suchen, die bisher nur nachrangig auf parasitäre elektromagnetische Eigenschaften optimiert wurde. Die Packages werden dadurch zu einem nennenswerten Faktor, der die Schaltgeschwindigkeiten und Schaltfrequenzen ausbremst.

Besonders kritisch ist die Situation für die Halbleiter mit großer Bandlücke (SiC und GaN). Sie sind schneller und/oder sperren höhere Spannungen und eignen sich für schnell schaltende Anwendungen besser als das preiswertere Silizium.

Bildergalerie

Diese Mehrkosten verhindern bisher eine breite Markteinführung der neuen Bauteile, obwohl in vielen Anwendungen schnellere Schaltfrequenzen der wirksamste Hebel zur Reduzierung von Baugröße sein kann. Am deutlichsten sind die Einsparungen bei Schaltungen, die mit einer Ausgangsdrossel arbeiten und die einen maximal erlaubten Rippelstrom einhalten müssen.

Am Beispiel eines Solarwechselrichters hat das Fraunhofer IZM das untersucht [1] und einen Vergleich für verschiedene Pulsfrequenzen durchgerechnet sowie realisiert. Bild 1 zeigt ein Beispiel für die Auslegung der Ausgangsdrossel für unterschiedliche Schaltfrequenzen bei gleichbleibenden Verlusten in der Drossel. Der erste Entwurf der Drossel hatte ein Gewicht von 1,1 kg und stellte damit das größte einzelne Bauteil dar.

Bei diesem Entwurf wurde von einem nicht lückenden Strom in der Ausgangsdrossel ausgegangen. Weiter reduzieren lässt sich das Volumen, wenn auf den lückenden Strombetrieb (engl. Discontinuous Current Mode, DCM) übergeht, der zusätzlich auch noch die Reduktion der Einschaltverluste durch stromloses Einschalten und sogar das spannungslose Schalten (engl. Zero Voltage Switching, ZVS) ermöglicht. Dafür muss die Induktivität der Ausgangsdrossel erheblich reduziert werden, womit die Baugröße sinkt.

Der erforderliche maximale Rippel-Strom wird dann mit einer zweiten Drossel hergestellt, die aber wegen der Vorfilterung erheblich kleiner ausgeführt werden darf. Zusätzlich kann auch der Zwischenkreis-Kondensator proportional zur Pulsfrequenz kleiner werden.

Aktuelle Projekte am Fraunhofer IZM zeigen, dass bei SiC-Halbleiter, 600 V Zwischenkreis-Spannung und 250 kHz Schaltfrequenz die Ausgangsinduktivität nur noch 5 µH beträgt. Ein DCM-System mit 5-facher Schaltfrequenz im Vergleich zu konventionellem CCM mit 1-facher Schaltfrequenz bewirkt bei gleichbleibender Stromglattheit die 100-fache Verkleinerung der Ausgangsdrossel-Induktivität und somit eine 10-fache Volumenersparnis. Der sekundäre DC-Link-Kondensator fällt 5-fach kleiner aus.

Die ausgezeichneten Eigenschaften der Widebandgap-Halbleiter bieten nicht nur neue Einsatzmöglichkeiten und Konzepte, sondern bringen auch neue Probleme mit sich. Um einige dieser Probleme wird es in der Special Session der PCIM-Konferenz gehen.

(ID:42607037)