Warum Leistungselektronik und Stromversorgungen von Siliziumcarbid-Power-MOSFET profitieren können

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Der Transkonduktanz-Effekt muss berücksichtigt werden

Zum Ausgleich der geringen Transkonduktanz des SiC-MOSFET ist eine Gate-Source-Spannung (V_GS) von 20 V erforderlich, damit eine optimale Leistungsfähigkeit des Bausteins gewährleistet ist. Dieses Transkonduktanzverhalten kann auch den Punkt beeinflussen, an dem der MOSFET als Funktion von V_DS von einem spannungsgesteuerten Widerstand zu einer spannungsgesteuerten Stromquelle wird. Dieser Übergang erfolgt typisch bei höheren V_DS-Werten als es bei konventionellen Silizium-MOSFETs oder -IGBTS der Fall wäre und kann dementsprechend Rückwirkungen auf etwaige Schaltungen zum Schutz vor Entsättigung haben, wenn das Design berücksichtigt, dass der Baustein bei niedrigeren Vorwärtsspannungen in den Konstantstrombereich eintritt.

Der Transkonduktanz-Effekt muss auch beim Design der Gate-Ansteuerschaltung ins Kalkül gezogen werden, und zwar speziell hinsichtlich der Vorgabe, dass der Gate-Treiber einen Spannungshub von mindestens 22 V unterstützen muss (einen empfohlenen V_GS-Wert von +20 V im On-Status und einen VGS-Wert im Off-Zustand von –2 V oder –5 V). Zwar ist die Gate-Ladung des SiC-MOSFET insgesamt deutlich geringer als bei konventionellen Silizium-Halbleitern. Dieser Spannungshub ist jedoch erheblich größer als bei den meisten Silizium-MOSFETs oder IGBTs. Das Produkt aus dem Spannungshub am Gate und der Gate-Ladung ist bei SiC-MOSFETs dennoch geringer als bei Silizium-Bausteinen mit ähnlichen Kenndaten. Da die Gate-Spannung zum Erzielen kurzer Schaltzeiten extrem hohe dV/dt-Werte erfordert, wird ein Treiber mit geringer Impedanz benötigt.

Darüber hinaus muss die Genauigkeit des Gate-Ansteuerimpulses sehr sorgfältig kontrolliert werden. Erforderlich ist eine nominelle Schwellenspannung von 2,3 V, wenn der Baustein nicht vollständig eingeschaltet ist (dV_DS/dt ≈ 0), bis die Gate-Source-Spannung einen Wert von 16 V oder mehr erreicht. Die Tatsache, dass dieser Bereich deutlich größer ist als bei konventionellen Silizium-Schaltbausteinen, verleiht den SiC-MOSFETs unter dem Strich einen geringfügig schlechteren Rauschabstand. Der Gate-Widerstand sollte sorgfältig kontrolliert werden, um den Gate-Ansteuerimpuls angemessen zu dämpfen und damit ein übermäßiges Schwingen dieses Signals zu verhindern, das sonst zu einem partiellen Abschalten oder ungewollten Einschalten des MOSFET führen könnte. In erster Näherung wird die Gate-Ansteuerschaltung als einfache RLC-Serienschaltung ausgeführt (Bild 6).

Ein konkretes Beispiel verdeutlicht die Vorteile

Wird L_LOOP minimiert, kann der für die kritische Dämpfung erforderliche R_LOOP-Wert reduziert werden (ebenso wie die Anstiegs- und Abfallzeiten der Schaltung). Die Minimierung der Induktivität lässt sich am besten erreichen, wenn die Gate-Ansteuerung so nah wie möglich am SiC-MOSFET platziert ist.

Eine Kelvin-Verbindung ist für die Gate-Ansteuerung notwendig, um die parasitäre Gleichtakt-Source-Induktivität zu eliminieren, die zu Dynamic Source Degeneration führen könnte. Hat der Source-Strom während des Schaltens einen hohen di/dt-Wert, kann dies einen Spannungsabfall an der Gleichtakt-Streuinduktivität verursachen (V = L_STRAY x di/dt). Die daraus resultierende Source-Degeneration kann Oszillationen hervorrufen und die di/dt-Festigkeit des Schalt-Bausteins beeinträchtigen.

Das Beispiel eines PV-Wechselrichters zeigt die Vorteile, die SiC-MOSFETs in der Leistungselektronik bieten. Das beschriebene Testsystem aus der Entwicklung des Fraunhofer Instituts ist ein dreiphasiger, an das Netz angeschlossener Wechselrichter mit 7 kW Leistung und einer Schaltfrequenz von 16,6 kHz. Die verwendete B6-Topologie benutzt einen Split-Link-DC-Kondensator, und die Nullleiter aller Kondensatoren sind mit dem Mittelpunkt verbunden, während die Gesamtschaltung an das 400-V-Netz angeschlossen ist. Die 1200-V-Silizium-IGBTs, die ursprünglich in dem Design vorgesehen waren, wurden direkt und ohne Optimierung der Treiberschaltung durch 1200-V-SiC-MOSFETs ersetzt, was den Systemwirkungsgrad dramatisch verbesserte (Bild 7).

Die Gesamtverluste konnten halbiert werden

Mit dem Ersatz der Silizium-IGBTs durch SiC-MOSFETs ist der Maximalwirkungsgrad des Systems um 1,92% gestiegen, während sich das allgemeine europäische Wirkungsgrad-Rating um 2,36% verbesserte. Dies ist gleichbedeutend mit einer 50%-Senkung der Gesamtsystemverluste und einer Verringerung der Kühlkörpertemperatur um 43 °C. Wie weitere Forschungen des „Instituts für Solare Energieversorgungstechnik“ (ISET) und der Firma SMA GmbH ergeben haben, kam das dreiphasige, an das Stromnetz angeschlossene System auf ein Maximal-Rating von 99%.

Um das Potenzial von SiC-MOSFETs in Antriebsapplikationen zu demonstrieren, führten die Ingenieure bei Cree ein Experiment durch, in dem sie die Silizium-IGBTs eines Drehstromantriebs (2 kW, 230 V, 16 kHz Schaltfrequenz) durch SiC-MOSFETs ersetzten. Die SiC-MOSFETs ergaben eine Wirkungsgradsteigerung um 2%. Darüber hinaus verringerte sich das Delta t des Kühlkörpers gegenüber der Umgebungstemperatur um 50% im Vergleich zu Si-Komponenten, sodass sich die Wärmemanagement-Maßnahmen (z. B. Einsatz von Lüftern) deutlich reduzieren bzw. vereinfachen lassen. Die außerdem gegebene Möglichkeit, die Schaltfrequenz auf Werte von 48 kHz oder mehr anzuheben, erlaubt zudem die Verwendung deutlich kleinerer und leichterer magnetischer Bauteile (EMI-Filter und Drosseln).

Große Verbreitung dürften SiC-MOSFETs auch in Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen für 480 V Drehstrom finden, die Schaltbausteinen mit 1200 V Nennspannung benötigen. Bei Spannungen in dieser Höhe kommt es in traditionellen Silizium-MOSFETs zu übermäßigen Leitungsverlusten, während bei Silizium-IGBTs die Schaltverluste deutlich größer sind, was der Schaltfrequenz eine bestimmte Grenze setzt. SiC-MOSFETs dagegen zeichnen sich durch niedrige Schalt- und Leitungsverluste aus und sind deshalb ideal für Anwendungen dieser Art geeignet. Als weitere Vorteile kommen bei ihnen die Wirkungsgradverbesserung des Gesamtsystems, die Eignung für höhere Schaltfrequenzen und die kleineren induktiven Bauelemente und Filterbauteile hinzu.

Mit Hochspannung betriebenes industrielles Equipment wie zum Beispiel Plasmaschneidgeräte und Schweißgeräte gehören ebenfalls zu den vorrangigen Anwendungen für 1200-V-SiC-MOSFETs, denn diese Bauelemente gestatten die Verwendung einfacher Topologien mit zwei Schaltstellungen. Um dagegen konventionelle Silizium-IGBTs mit Frequenzen von 24 kHz und darüber zu betreiben, war üblicherweise eine Resonanz-Topologie erforderlich, die durch einen größeren Bauteileaufwand und einem umgerechnet auf die Ausgangsleistung höheren Effektivstrom im Übertrager gekennzeichnet ist. Alternativ dazu kommt eine Multi-Level-Topologie in Frage, die mit Silizium-MOSFETs mit geringerer Spannungsfestigkeit bestückt werden kann, wobei allerdings ist die doppelte Anzahl an Schaltelementen erforderlich ist. Mit SiC-MOSFETs ließ sich ein DC/DC-Wandler für 10 kW und 1 kV und einer Schaltfrequenz von 32 kHz demonstrieren, der auf einen Wirkungsgrad von über 97% kommt.

Die wesentlichen Vorteile auf den Punkt gebracht

Die Kommerzialisierung der SiC-Technologie für Schaltbausteine stellt einen revolutionären Wandel auf dem Gebiet der Leistungselektronik dar. Ein SiC-MOSFET als solcher ist zwar teurer als ein konventioneller Silizium-MOSFET oder -IGBT, jedoch müssen die Auswirkungen auf das Gesamtsystems betrachtet werden, um das volle Kostensenkungspotenzial und den Gesamtnutzen der SiC-Technologie erfassen zu können. Abgesehen vom Preis des Bausteins selbst sind die folgenden systemrelevanten Aspekte zu berücksichtigen, um ein zutreffendes Bild von den möglichen Kosteneinsparungen zu bekommen:

1. Reduzierter Aufwand an passiven Bauelementen:

Rein aufgrund ihrer größeren Anzahl stellen passive Leistungsbauelemente häufig den größten Posten in den Materialkosten von Leistungselektronikapplikationen dar. Durch Anheben der Schaltfrequenz ist es möglich, sowohl die Zahl dieser Bauteile als auch ihre Größe und ihren Preis zu senken.

2. Reduzierung des Kühlaufwands:

Dank der Senkung der Kühlkörpertemperaturen um über 50%, wie es in den in diesem Beitrag vorgestellten Experimenten gelang, birgt die SiC-Technologie das Potenzial, die Anzahl und die Größe der Kühlkörper entscheidend zu verringern und mit weniger oder sogar ganz ohne Lüfter auszukommen.

3. Geringere Energiekosten über den Lebenszyklus der Applikation: Blickt man über die reinen Bauelemente- und Produktionskosten eines Systems hinaus, wird das wirkliche Wertversprechen der SiC-Technologie deutlich, sobald man die Senkung des Energiebedarfs über den Lebenszyklus des Equipments mit ins Bild nimmt, denn sie kann in einigen Fällen den Löwenanteil des Einsparpotenzials ausmachen. In Anwendungen wie zum Beispiel PV-Wechselrichtern, in denen die Kostensenkungen direkt von der Wechselrichtertechnologie abhängig sind, kann der Wegfall von 40 bis 50% der Schaltverluste das entscheidende Argument für den Umstieg auf SiC-Technologie sein.

* * Bob Callanan ist Applications Engineer SiC Power Products bei Cree

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