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Leistungswandler

Siliziumkarbid als Alternative zu Silizium und Galliumnitrid

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Für das Design sind weniger Komponenten erforderlich

Zudem gilt es einen weiteren Punkt zu berücksichtigen: SiC-Module kommen aufgrund der höheren Frequenzen mit weniger Filtern und magnetischen Komponenten aus. Dadurch verringert sich das Gewicht der Bestandteile eines Wechselrichters, inklusive der Induktoren und Filter-Kondensatoren. Zudem ist der Platzbedarf geringer. Dies führt zu erheblichen Einsparungen bei der Größe, dem Gewicht und den Kosten bei anderen Komponenten, etwa dem Gehäuse und der Verdrahtung.

Entwicklern von Hochleitungs-Umrichtern eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten. Sie können Systeme designen, die hohe Schaltfrequenzen unterstützen, ohne dass die Effizienz darunter leidet. Dies ist die Grundlage für kompaktere Leistungswandler-Systeme, die eine einfachere Struktur, kürzere Antwortzeiten und eine höhere Zuverlässigkeit aufweisen.

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Einfachere und preisgünstigere Schaltungstopologien

Ein weiterer wichtiger Punkt sind die niedrigeren Kosten. Die einfacheren Schaltungstopologien, die SiC-MOSFETs ermöglichen, schlagen sich in geringeren Aufwendungen auf der System-Ebene nieder. Ein Beispiel ist ein typischer Zwei-Phasen-LLC-Resonanzwandler für 800 VDC. Um die Limitierungen von 1200-V-Si-MOSFETs hinsichtlich Schaltfrequenz zu umgehen, kommt eine komplexe Topologie mit drei Ebenen in einer Vollbrücken-Konfiguration zum Zuge. Sie erfordert den Einsatz von acht 600-V-Schaltelementen und mehreren Freilaufdioden. Wegen der inhärenten Schaltverluste ist die typische Schaltfrequenz auf 100 bis 200 kHz begrenzt. Dadurch sind deutlich größere und komplexere induktive und kapazitive Elemente im Schwingkreis erforderlich.

Anstelle der Si-Komponenten lassen sich vier 1200-V-SiC-MOSFETs verwenden. Das Ergebnis ist ein Vollbrücken-Konverter mit zwei Ebenen in einer Nullspannungsschaltungs-Konfiguration (Zero Voltage Switching; ZVS). Das ZVS-Design zeichnet sich durch eine höhere Effizienz und reduzierte Schaltverluste aus. Dies wird durch die minimalen Stromwerte in den Leistungstransistoren beim Schaltvorgang erreicht.

Außerdem lassen sich die vier SiC-MOSFETs bei höheren Umgebungstemperaturen und Schaltfrequenzen als die Si-IGBTs betreiben. Der Wandler mit SiC-Bausteinen kann daher mit Frequenzen von 200 bis 400 kHz arbeiten. Das wiederum ermöglicht ein kompakteres Design des Systems und reduziert die Bauteinezahl um etwa 20%.

Den Unterschied zwischen Leistungskomponenten auf Grundlage von Siliziumkarbid und Silizium macht folgendes Beispiel deutlich, in dem ein Drei-Ebenen-LLC-DC/DC-Wandler mit 600-V-Si-MOSFETs einem Zwei-Ebenen-LLC mit SiC-MOSFETs gegenübergestellt wird. Beide Systeme sind für 20 kW ausgelegt (Bild 5). Die Version mit Si-Bausteinen ist 220 mm x 340 mm groß und wiegt 4,1 kg. Die Variante mit Siliziumkarbid-Komponenten misst dagegen nur 220 mm x 275 mm und wiegt 3,2 kg.

Alle genannten Betrachtungen relativieren die häufig geäußerte Meinung, SiC-Systeme seien unter dem Strich zu teuer.

* John W. Palmour ist Chief Technology Officer bei Wolfspeed. John Mooken ist Applications Manager bei Wolfspeed, Durham/North Carolina.

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