Siliziumkarbid als Alternative zu Silizium und Galliumnitrid

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SiC-MOSFETs in High-Power-Applikationen

Schaltelemente für High-Power-Anwendungen wie Motorantriebe, Solarwandler und Hilfsaggregate werden meist in einem Leistungsmodul verbaut, zusammen mit Gate-Treibern und einem Controller. Im Folgenden wurde ein Drei-Phasen-Inverter für 140 kW mithilfe eines MOSFET-Moduls (300 A) und dem passenden Gate-Treiber neu entwickelt; ersetzt wurde ein 450-A-Si-IGBT-Modul.

Dank der geringeren Schaltungsverluste kann die Version mit SiC-Komponenten mit deutlich höheren Schaltfrequenzen betrieben werden. Dadurch ließen sich bei einer Schaltfrequenz von 10 kHz vier Si-IGBT-Module durch ein einziges SiC-Modul substituieren (Bild 3).

Bildergalerie

Bild 1: Vergleich eines Si-IGBT und SiC-MOSFET (beide 50 A) in einem Modul; beim SiC-Baustein fehlt das typische Knie in der I-V-Kurve.(Bild: Wolfspeed)

Bild 2: Ein Si-SJ-MOSFET (900 V, 36 A) in einem TO-247-Gehäuse im Vergleich zu einem SiC-MOSFET; der SiC-Baustein weist eine geringere Abhängigkeit des RDS(on) von der Temperatur auf. Das hat geringere Leitungsverluste zur Folge.(Bild: Wolfspeed)

Bild 3: SiC-basierte Leistungswandler haben bei Schaltfrequenzen von 10 kHz eine höhere Performance als Si-IGBTs.(Bild: Wolfspeed)

Bild 4: Ein Zwei-Phasen-LLC-Resonanz-Leistungswandler erfordert bei Einsatz von Si-Bausteinen ein komplexes Design mit drei Ebenen (links). Bei Verwendung von SiC-MOSFETs (rechts) reichen zwei Ebenen aus.(Bild: Wolfspeed)

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Leistungswandler mit Si-IGBT-Modulen weisen eine lineare Leistungsabgabe in Relation zur Größe des Systems auf. Die Schaltfrequenz ist im vorliegenden Beispiel jedoch wegen der Schaltverluste auf 10 kHz begrenzt. Bild 3 zeigt den Ausgangsstrom der Si-Komponenten bei 3 kHz.

Das System mit vier Si-IGBTs mit 450 A pro Schalter und einem Nennwert von 750 A_rms erreicht bei 10 kHz nur noch 280 A_rms. Das entspricht dem Wert eines deutlich kompakteren Systems mit nur einem 300-A-SiC-MOSFET pro Schalter.

Außerdem verkraftet das System mit SiC-Bausteinen deutlich höhere Schaltfrequenzen. Dadurch erschließen sich neue Anwendungsfelder, für die Si-Komponenten nicht in Frage kommen.

De facto stellt ein Power-Modul auf Basis von SiC bei 10 kHz dieselbe Leistung zur Verfügung wie ein Konverter mit vier Modulen mit Si-IGBTs und einem Nennstrom von 1800 A. In der Praxis kann der Si-Baustein davon jedoch bei Frequenzen von 2 kHz bis 3 kHz nur 750 Arms nutzen.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: SiC-Produkte und Applikationen von Wolfspeed

Link: Beitrag im Original lesen: ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik und Stromversorgung als kostenlose ePaper-Version

Link: Heftausgabe als pdf

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Stand: 08.12.2025

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