Siliziumkarbid als Basis für Leistungskomponenten

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SiC-Komponenten reduzieren Komplexität von DC-Wandlern

In welchem Maß sich die Komplexität eines DC/DC-Wandlers verringern lässt, wenn SiC-MOSFETs statt Silizium-IGBTs eingesetzt werden, macht ein Vergleich entsprechender Wandler deutlich (Bild 1). Für den Vergleich wurden zum einen 20-kW-SiC-Wandler der Reihe C3M065100K 1000 V von Wolfspeed herangezogen, zum anderen Standard Si-Komponenten mit 15 kW.

Ein Unterschied besteht darin, dass Si-Bausteine ein Chip-Layout mit drei Ebenen verwenden. Bei vergleichbaren Komponenten mit Siliziumkarbid sind nur zwei Ebenen vorhanden. Hinzu kommen Faktoren wie die kompaktere Bauweise der SiC-Komponenten, und dies trotz der höheren Nennleistung. Außerdem beträgt die Effizienz auf der Systemebene eines DC/DC-Wandlers auf Basis von SiC an die 98,4 Prozent, während die Version mit Silizium-Elementen nur 97,5 Prozent erreicht.

Dank dieser Eigenschaften ist es möglich, mithilfe von SiC-Komponenten Systeme im Bereich Leistungselektronik zu entwickeln, die leichter, kompakter und damit preisgünstiger sind, und dies bei vergleichbaren oder besseren Leistungswerten.

Dies bezieht sich auch auf Systemlösungen, die bislang häufig mit kommerziell verfügbaren Si-IGBT-Wandler-Stacks bestückt werden. Solche Stacks bestehen in der Regel aus DC-Zwischenkreiskondensatoren, einem Kühlkörper und einem Lüfter für die Temperaturregelung sowie Gate-Drivern mit Schutzschaltungen und Sensoren (Bild 2).

Für den Vergleich werden Si-IGBTs herangezogen, die für 400 A und 1,2 kV spezifiziert sind. Die Stacks, die damit aufgebaut werden, weisen typischerweise eine Leistung von 140 kW beziehungsweise 200 Arms auf, und das bei Schaltfrequenzen (Fsw-Werten) von 3 kHz.

Typische Einsatzgebiete sind Solarmodule und Antriebe, wie beispielsweise in der Industrie. Wird ein solcher Si-IGBT-Stack mit einem SiC-Modul wie etwa dem CAS300M12BM2 von Wolfspeed (1200 V, 300 A) neu designt, reichen drei 2-Kanal-Platinen aus, keine sechs wie bei Si-IGBTs.

Effiziente, kompakte Leistungselektronik

Bei einem anschließenden Vergleichstest der beiden Lösungen zeigte sich, dass beim SiC-Stack – wie vermutet – geringere Verlustleistungen auftraten. Damit stehen Entwicklern zwei Optionen zur Verfügung:

• Sie können mit SiC-Komponenten und einem Modul wie dem CAS300M12BM2 ein System entwerfen, das im Vergleich zu Si-IGBTs höhere Leistungsdaten bei vergleichbaren Schaltfrequenzen bietet. Das erlaubt kompaktere Systeme mit höherer Leistungsdichte.

• Wenn dagegen eine hohe Zuverlässigkeit gefordert ist, konzipiert ein Entwickler ein System, das bei niedrigeren Sperrschicht-Temperaturen arbeitet.

In beiden Fällen weist das System mit SiC-Bausteinen deutlich kompaktere Maße auf als die Version mit Silizium-IGBTs. Dies ist unter dem Aspekt Kosten ein nicht zu vernachlässigender Faktor bei Power-Systemen. Das belegen String-Inverter, die bei Solarmodulen zum Einsatz kommen. Ein solcher 50-kW-Inverter mit einer Ausgangsspannung von 480 VAC weist beispielsweise mit SiC-MOSFETs eine Leistungsdichte von etwa 1,5 kW/kg auf, und das bei einem Systemgewicht von 33 kg. Ein System mit Si-IGBTs erreicht dagegen nur 0,3 kW/kg bei 173 kg Gewicht. Zudem liegt die CEC-Effizienz (California Energy Commission) des String-Inverters auf Silizium-Basis um 1 Prozent unter derjenigen des SiC-Systems.

Siliziumkarbid-Komponenten ermöglichen es Entwicklern, effizientere, leistungsstärkere, kompaktere und preisgünstigere Leistungselektronik-Systeme zu konzipieren als mit Silizium-Bauelementen. Und exakt diese Anforderungen stellten die Nutzer von Stromversorgungssystemen in immer stärkerem Maße an ihre Lieferanten.

Siliziumkarbid ist somit nicht nur eine Technologie, die sich in einigen speziellen Anwendungsfällen einsetzen lässt. Sie ermöglicht es Anbietern im Bereich Leistungselektronik, innovative Lösungen zu entwickeln, die für eine breite Palette der aktuellen und künftigen Anforderungen abdecken.

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