Rechnerische Betrachtung der Vorteile von SiC-Halbleitern

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Erhöht man die Schaltfrequenz des VSI auf 16 kHz, so kommen die Vorteile, die sich durch das bessere Schaltverhalten und die günstigeren thermischen Eigenschaften des 1200-V-/100-A-SiC-MOSFET-Moduls ergeben, vermehrt zum Tragen. Beim nominellen Maximal-Laststrom von 75 A ist es bei einer auf 16 kHz angehobenen Schaltfrequenz erforderlich, das 1200-V-/150-A-Si-IGBT-Modul durch eine Version für 1200 V und 200 A zu ersetzen; doch selbst nach dieser Erhöhung der Stromtragfähigkeit sind die thermischen Reserven zu gering, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Soll bei dieser Frequenz ein Si-IGBT-Modul mit ausreichend thermischem Spielraum zum Einsatz kommen, muss der Nennstrom 250 A oder gar 300 A betragen. Aus Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass die Halbleiter-Schaltverluste des für 100 A ausgelegten SiC-MOSFET-Moduls bei 16 kHz um 57,1% bzw. 783,1 W niedriger sind als die des 200-A-Si-IGBT-Moduls. Dies führt zu erheblich geringeren Kühlkörper-, Gehäuse- und Sperrschichttemperaturen und demzufolge zu einer höheren Betriebssicherheit. Hinzu kommen ergonomische Vorteile, weil die höhere Schaltfrequenz den Betrieb des Wechselrichters mit einer außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegenden Frequenz zulässt. Wirtschaftliche Vorteile wiederum ergeben sich daraus, dass die Filterkondensatoren und -drosseln des Wechselrichters kleiner, leichter und preisgünstiger werden.

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Fazit : Mit der Einführung des 50-A-Chipsatzes sind SiC-Leistungshalbleiter in einem Spannungs- und Strombereich angekommen, in dem sie für diskrete Bauelemente und Modullösungen für Hochleistungs-Anwendungen interessant werden. Die auf gemessenen Verlusten beruhende Simulation eines Wechselrichters mit Gleichspannungs-Zwischenkreis (VSI) ergab, dass SiC-Komponenten eines 40-kW-Wechselrichters deutlich niedrigere Nennströme benötigen. Ähnliche Resultate ergaben sich bei der Simulation eines VSI mit 250 kW Leistung. Angesichts der zunehmenden Akzeptanz der SiC-Technik in der Systementwicklung können potenzielle Anwender von SiC-Leistungshalbleitern die nachfolgend angeführten Aspekte nutzen, um ihren Designzyklus zu beschleunigen und das Wertversprechen der SiC-Bauelemente in ihren Anwendungen maximal auszuschöpfen.

Den Vorteil der höheren Schaltfrequenz bestmöglich nutzen

Leistungselektronik wird oftmals an das öffentliche Stromnetz angeschlossen oder steuert empfindliche Elektronik an. Da geschaltete Elektronik aber stets elektrische Störungen und Welligkeitsströme hervorruft, geht es hierbei nicht ohne Filterelemente mit ihren sperrigen und schweren Drosseln, Übertragern sowie Kondensatoren, die teuer und unzuverlässig sind. Man kann jedoch davon profitieren, dass die Induktivitätswerte der Drosseln und die Kapazitäten der Kondensatoren umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz sind. Hebt man die Frequenz also an, können kleinere, leichtere und billigere passive Bauelemente verwendet werden.

Drosseln und Übertrager mit teurem Kupferdraht auf schweren Ferritkernen tragen wesentlich zum Gewicht und den Kosten eines Systems bei, zumal die Preise für Kupfer und exotische Kernwerkstoffe weiter steigen werden. Elektrolyt-Kondensatoren sind teuer und unzuverlässig und bieten keine echten Ansatzpunkte, die Kosten zu senken. SiC-Bauelemente aber lassen höhere Schaltfrequenzen zu und erlauben es auf diesem Weg, Größe und Kosten der passiven Komponenten zu senken. Hinzu kommen die bedeutenden Preissenkungen bei den SiC-Bausteinen selbst, verbunden mit der Aussicht auf weiter fallende Preise.

Treiber für SiC-basierte Wechselrichter

Sind die SiC-MOSFETs und -Schottkydioden für das jeweilige System korrekt dimensioniert, müssen für das SiC-Design insgesamt einige weitere Attribute der Bausteine berücksichtigt werden. Im Vordergrund steht das Optimieren der Treiber für die SiC-MOSFETs. Ähnlich wie Silizium-Halbleiter der ersten Generation, weisen auch die SiC-MOSFETs aus der Anfangszeit eine geringere Transkonduktanz (Steilheit) auf als ausgereifte Silizium-MOSFETs (an der Abmilderung dieses Problems wird gearbeitet). Gatetreiber für SiC-Bausteine werden zwar nur mit einer geringen Gateladung konfrontiert, müssen aber einen großen Spannungshub erzeugen, um minimale Schaltverluste zu gewährleisten.

Die Hersteller von SiC-MOSFETs empfehlen Gate-Treiberspannungen von 0 bis 20 V. Eine geringe negative Gatespannung verleiht dem System zudem einen größeren Rauschabstand und trägt zur Verbesserung der Schalteffizienz bei. Zusätzliche Vorteile stellen sich ein, wenn die Gates mit sehr steilen Spannungsflanken, d.h. mit hohen dV/dt-Werten angesteuert werden. Umschaltzeiten unter 100 ns oder besser noch im Bereich von 20 ns ergeben die besten Effizienzwerte. Wird beim Layout auf geringe Streuinduktivitäten geachtet, lässt sich ein rauscharmer Treiber realisieren. Applikationsschriften mit Referenzdesigns für solche Treiber sind verfügbar.

Der SiC-MOSFETs als Ersatz für IGBTs

Die Schalteigenschaften werden so gewählt, dass sie der Leistung des Systems entsprechen. Gleichzeitig wird ein Maximum an Energieeffizienz, verbunden mit Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, erwartet. Jeder Baustein wird deshalb so dimensioniert, dass er die maximal zu erwartenden Lastströme übersteht. Abgesehen davon müssen die Leitungs- und Schaltverluste außerdem so niedrig sein, dass das Bauelement niemals seine maximale Sperrschichttemperatur erreicht und ein angemessener System-Wirkungsgrad erzielt wird.

SiC-MOSFETs arbeiten mit deutlich kleineren Schaltverlusten als IGBTs und können deshalb mit wesentlich geringerer Nennleistung spezifiziert werden. Um die Durchlass- und Schaltverluste zu senken und dem System die angestrebte Effizienz zu verleihen, werden IGBTs parallelgeschaltet oder überdimensioniert. Anders ist es bei SiC-Bauelementen: hier lässt sich ein gleichwertiger Wirkungsgrad mit deutlich weniger Überdimensionierung erreichen.

Überdies haben IGBTs nur eine minimale Avalanche-Festigkeit und bergen das Risiko des thermischen Durchgehens bei Überlastung. SiC-MOSFETs dagegen sind überaus robust und überzeugen durch eine bei Silizium-Bauelementen unerreichte Avalanche-Festigkeit. Aufgrund des niedrigen Wärmewiderstands verkraften sie sogar wiederholte Avalanche-Phänomene, und ein thermisches Durchgehen ist dank der positiven Temperaturkoeffizienten ausgeschlossen. Robustheit und Zuverlässigkeit des Systems lassen sich bei Verwendung von SiC mit weit weniger Überdimensionierung gewährleisten.

Wie erwähnt, werden die Leistungsbausteine in den meisten Wechselrichtern mit Leistungen von mehr als ein paar kW als so genannte Power-Module implementiert, die jeweils einzelne Schalter, Halbbrücken, Vollbrücken oder komplette Drei-Phasen-Wechselrichter enthalten können. Immer mehr Hersteller bieten solche rein SiC-basierten Module in standardmäßiger oder kundenspezifischer Ausführung an. Da diese Module noch relativ neu sind, können die Designer davon ausgehen, dass die Auswahl hier schnell größer werden wird. Unter anderem bietet Cree ein Halbbrücken-Modul für 100 A und 1200 V an, das uneingeschränkt verfügbar ist und von den wichtigen Distributoren bezogen werden kann.

Es ist für minimale Induktivität optimiert und seine Gatewiderstände sind in unmittelbarer Nähe zu den Gates der SiC-MOSFETs angeordnet. Es besitzt eine AlSiC-Grundplatte mit Si3N2-Isolator, um bei geringer Gehäusemasse für tadellose thermische Eigenschaften und hohe Betriebssicherheit zu sorgen. Im Verbund mit Treiberplatinen, die ebenfalls bei Cree verfügbar sind, schöpfen Module dieser Art die aus SiC resultierenden potenziellen Vorteile für das Systemdesign weitreichend aus.

* * Paul Kierstead ist Director of Marketing Cree Power bei Cree Inc in Durham, North Carolina.

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