Leitungsschutz mit Wide-Bandgap-Halbleitern SiC-JFETs für schnelle Schutzschalter

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SiC-basierte Solid State Circuit Breaker schalten Fehlerströme in Mikrosekunden ab und vermeiden Lichtbögen vollständig. Dadurch ermöglichen sie schnellere, präzisere und langlebigere Schutzkonzepte als klassische Leitungsschutzschalter.

Ein Leistungsschalter ist ein Gerät zum Schutz elektrischer Stromkreise vor Schäden durch Überstrom, Überlast und Kurzschluss. Der elektromechanische Leistungsschalter (EMB) – der De facto Standard – nutzt typischerweise zwei voneinander getrennte Auslöser: einen Bimetallauslöser, der langsam ist und auf Überstrom reagiert, sowie einen elektromagnetischen Auslöser, der schnell ist und bei Kurzschluss anspricht. EMBs besitzen einen definierten, meist festen Auslösestrom mit einer sofortigen (elektromagnetischen) und einer verzögerten (thermischen/Bimetall- )Auslösekennlinie, um Kurzschlüsse und Überlasten sicher zu beherrschen.

So einfach und wirksam ein EMB ist, hat er auch Nachteile. Einer davon ist die Geschwindigkeit: EMBs arbeiten im Millisekundenbereich – in dieser Zeit kann ein Fehlerstrom weiterhin Schäden verursachen oder den Anwender gefährden. Ein weiterer Nachteil ist die Lichtbogenbildung: Wenn sich Kontakte trennen, entsteht ein Lichtbogen und die Energie muss sicher abgebaut werden; das verursacht thermische und mechanische Belastungen im Schalter.

Ersetzt man mechanische Kontakte durch Halbleiterschalter, entfällt die Lichtbogenbildung, da die Stromunterbrechung elektronisch erfolgt, bevor sich physische Kontakte trennen. Halbleiterschalter können in Mikrosekunden abschalten und dadurch Kurzschlussstromspitzen deutlich reduzieren. Außerdem sind sie – im Gegensatz zu mechanischen Komponenten – für häufiges Schalten ausgelegt und verschleißen nicht über die Zeit. Solche Geräte werden als Solid State Circuit Breaker (SSCBs) bezeichnet und dienen allgemein dem Schutz von Gleich- (DC) und Wechselstromkreisen (AC).

Solid State Leistungsschalter verstehen

Die Vorteile von SSCBs liegen auf der Hand: Halbleiter können schneller und zuverlässiger schalten, sind langlebiger (kein mechanischer Verschleiß) und ermöglichen eine präzisere Regelung. Im Fehlerfall ist die schnellere Trennung besonders wichtig – ein Halbleiterschalter kann mehr als 1.000-mal schneller reagieren als ein mechanischer Schalter. Darüber hinaus erlauben die ohnehin erforderlichen Steuerelektroniken zusätzliche Funktionen, z. B. Strom- und Spannungsüberwachung, das Anpassen von Stromgrenzen sowie weitere Sicherheitsfunktionen wie Fehlerstromschutz (RCD).

Im Zentrum eines SSCB steht ein Halbleiterschalter, der klassische elektromechanische Relais ersetzt. Ein SSCB überwacht Strom und Temperatur des Stromkreises und übergibt diese Daten an eine Mikrocontroller-Einheit (MCU). Die MCU prüft kontinuierlich Strom und Temperatur, erkennt Fehlerzustände und löst innerhalb von Mikrosekunden eine Schutzabschaltung aus. Im Auslösefall weist die MCU den Gate-Treiber an, den Schalter abzuschalten. All dies geschieht in einem Bruchteil der Zeit, die ein EMB benötigt. Aus Sicherheitsgründen kann optional ein mechanisches Relais für eine galvanische Trennung nach dem Abschalten des Halbleiters sorgen. Da das Relais erst nach dem Halbleiterschalter öffnet, entsteht kein Lichtbogen; zudem muss es nicht für Kurzschlussströme ausgelegt sein und trennt lediglich den Leckstrom des Halbleiters (im Bereich von einigen hundert µA). Außerdem kann dieses Relais die Anlage vollständig trennen, weil – anders als bei einem mechanischen Leistungsschalter – ein SSCB typischerweise sowohl in Phase als auch Neutralleiter eingebunden ist.

Klassifizierung von Halbleiterschaltern

Die Idee, mechanische Schalter durch Halbleiterschalter zu ersetzen, ist nicht neu – lange Zeit war jedoch der Stand der Halbleitertechnologie der begrenzende Faktor. Mit den Fortschritten in der Wide-Bandgap-Technologie sind heute Solid State Bauelemente verfügbar, die sich auch für Niederspannungsnetze in Wohn- und Gewerbeanwendungen eignen.

Ein limitierender Faktor für die breite Marktdurchdringung von SSCBs ist der Durchlasswiderstand. Moderne Halbleiterschalter – insbesondere MOSFETs – erreichen zwar niedrige R_DS(on)-Werte, diese liegen jedoch weiterhin deutlich über dem Widerstand mechanischer Kontakte.

In den letzten Jahren hat sich der Siliziumkarbid- (SiC ) Junction-Field-Effect-Transistor (JFET) als führende Technologie herauskristallisiert, um SSCBs voranzutreiben. Er nutzt Materialeigenschaften von SiC wie hohe Wärmeleitfähigkeit, höhere Spannungsfestigkeit und geringere Verluste und kombiniert diese mit den Vorteilen der JFET Struktur. JFETs bieten den niedrigsten R_DS(on) pro Fläche am Markt und sind – wie MOSFETs – spannungsgesteuert. Der Grund: Statt eines Oxid-Gates wie beim MOSFET wird ein pn-Übergangs-Gate verwendet, wodurch ein direkter Drain-Source-Strompfad mit minimalem Ladungstrapping und vernachlässigbarer Oberflächenleckage entsteht.

Der Nachteil dieses niedrigen Widerstands ist die „normally on“ Eigenschaft des JFET: Bleibt das Gate offen (floating) oder liegt keine Gate-Spannung an, ist das Bauelement vollständig leitend. Das ist in vielen Anwendungen und Regelkonzepten unerwünscht, da im Fehlerfall der bevorzugte Zustand „aus“ ist.

Ein „normally off“ Verhalten lässt sich erreichen, indem der JFET in Serie mit einem „normally off“ Si MOSFET geschaltet wird. Der MOSFET fungiert dabei als Enable für den SiC JFET, während die Vorteile der JFET Struktur erhalten bleiben. Diese Konfiguration wird als Cascode bezeichnet und ist vielseitig einsetzbar. Der Cascode JFET (CJFET) bietet eine flexible Ansteuerung und geringe Schaltverluste, jedoch ist nur das Gate des Niederspannungs Si MOSFET zugänglich, und das Bauelement schaltet für die SSCB Anwendung oft zu schnell.

Eine weitere verfügbare Konfiguration ist der „Combo JFET“, der ebenfalls einen LV MOSFET und einen JFET in einem Gehäuse vereint. Der Unterschied: Beide Gates sind separat zugänglich, wodurch sich das Schaltverhalten (dV/dt) besser kontrollieren lässt. Zusätzlich kann der R_DS(on) weiter reduziert werden, indem das JFET Gate „übersteuert“ wird. Obwohl der JFET bereits bei 0-V-Gate-Spannung leitend ist, erhöht eine positive Gate Spannung die Kanalleitfähigkeit und senkt den R_DS(on). Das ist in Bild 3 zu erkennen.

Wie oben beschrieben, bleibt die Verlustleistung der größte limitierende Faktor für die breite Einführung von SSCBs. Sollen sie in Wohnumgebungen eingesetzt werden, müssen sie rückwärtskompatibel zu den heute verbreiteten Geräten sein – dabei steht meist nur wenig Platz für Kühlung zur Verfügung. Der mechanische Leistungsschalter hat aufgrund des sehr niedrigen Widerstands im Strompfad nur geringe Verluste. Bei SSCBs entstehen Verluste nicht nur durch den R_DS(on) des FET, sondern auch durch die Leistung der Steuerelektronik, die weitgehend konstant und unabhängig von der Last ist.

Für das Sperren von Wechselspannung ist eine Back-to-Back-Schaltung erforderlich, da ein JFET die Spannung nur in Source-zu-Drain-Richtung blockieren kann. Das erhöht die Anforderungen, weil sich der Kanalwiderstand effektiv verdoppelt. Um den Gesamt-R_DS(on) zu senken, wird daher häufig parallel geschaltet – was den Combo JFET als bevorzugten Schalter weiter hervorhebt, da er den Parallelbetrieb ermöglicht und vereinfacht.

Tritt in einem SSCB ein Fehler auf, beginnt der Strom anzusteigen und fließt durch den Halbleiter zur Last, bis er abgeschaltet wird. Während des Abschaltens steigt die Spannung steil an; die Überspannungsbegrenzung (Clamping Schaltung) wird aktiviert und schützt die MOSFETs vor Avalanche-Beanspruchung.

Der Fehlerstrom fließt über die Clamping-Schaltung weiter, bis vollständig abgeschaltet ist. Die in Induktivitäten gespeicherte Energie – dazu zählen Leitungen und eine induktive Last – wird in der Clamping-Schaltung abgebaut. Eine schnellere Fehlererkennung reduziert den Stromanstieg und die abzuführende Energie; dadurch kann auch die Clamping-Schaltung kleiner dimensioniert werden.

Für die Spannungsbegrenzung werden am häufigsten Metalloxid Varistoren (MOV) und Transient Voltage Suppression (TVS ) Dioden eingesetzt. MOVs sind bidirektional, kostengünstiger und besitzen eine höhere Leistungsdichte, haben jedoch tendenziell eine kürzere Lebensdauer und sind aufgrund der Kapazität zwischen ihren Elektroden weniger präzise bei der Spannungsregelung.

TVS Dioden können uni- oder bidirektional ausgeführt sein und weisen eine geringere Kapazität auf, benötigen jedoch für Hochstromvarianten mehr Bauraum und sind teurer.

Fazit

Solid-State-Circuit-Breaker (SSCB) erweitern klassische elektromechanische Schutzschalter um zusätzliche Funktionen, sind derzeit jedoch noch mit höheren Kosten verbunden. Neben dem reinen Leitungsschutz ermöglichen sie auch Remote Monitoring, Diagnosefunktionen und eine Fernkonfiguration.

Dadurch eignen sie sich besonders für moderne Energieverteilungs- und Automatisierungssysteme. Ein Vorteil von SSCBs liegt in ihrer hohen Wiederholgenauigkeit. Im Gegensatz zu mechanischen Schutzschaltern arbeiten sie weitgehend verschleißfrei und reproduzierbar, was insbesondere bei häufigen Schalt- oder Auslösevorgängen relevant ist.

Eine zentrale Herausforderung bleibt allerdings die Verlustleistung bei hohen Spannungen und Strömen. Deshalb gewinnen SiC-JFETs zunehmend an Bedeutung, da sie niedrige Leitverluste mit hohen Schaltgeschwindigkeiten kombinieren. Onsemi bietet dafür SiC-JFETs und SiC-Combo-JFETs an, die laut Unternehmen besonders niedrige R_DS(on)-Werte erreichen. (mr)

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