Materialien mit breiter Bandlücke (Wide-Bandgap) wie SiC zeichnen sich durch hohe Elektronenbeweglichkeiten und Sättigungsgeschwindigkeiten aus. Im Vergleich zum Silizium halten SiC-Bauelemente einer zehnmal höheren Durchschlagspannung bei gleicher Sperrschicht stand. Mit einem SiC-MOSFET-Chipdesign lassen sich daher die Chipgröße und die Gate-to-Drain-Kapazität effektiv reduzieren. Diese Vorteile, kombiniert mit einer höheren Sättigungsgeschwindigkeit, lassen schnellere PWM-Schaltfrequenzen zu. SiC-MOSFETs können bei mehreren hundert Kilohertz schalten und dabei niedrigere Schaltverluste aufrechterhalten als Si-basierte Bauelemente – mit dem zusätzlichen Vorteil einer höheren Spannungsfestigkeit. Damit reduzieren SiC-basierte Wandler nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch die Gesamtkompaktheit einiger Anwendungen auf Systemebene um 40 bis 60 Prozent.

Für Designer ist es dabei äußerst wichtig, auf Systemebene sowohl auf das Schaltverhalten beziehungsweise die Schaltverluste als auch auf die gesamte Streuinduktivität zu achten. Diese Parameter bestimmen über die effektive Nutzung der Leistungsgeräte und beeinflussen direkt, ob sich ein Nutzen aus den theoretischen Vorteilen von SiC-Halbleitern ziehen lässt. Obwohl isolierte Schnellschaltgeräte niedrige Schaltverluste versprechen, können sich EMI-, dv/dt- und di/dt-Probleme verstärken und sich in Schwierigkeiten auf Systemebene niederschlagen, sodass eine angemessene Designoptimierung des gesamten Leistungselektroniksystems erforderlich ist, um die Vorteile der SiC-Technologie zu maximieren.

Leistungsmodule für Industrie und Automotive

Eck-Daten

Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC ermöglichen das Design kompakter Wechselrichter mit hohen PWM-Schaltfrequenzen. Um vollständigen Nutzen aus den Vorteilen von SiC-Bauteilen ziehen zu können, müssen Designer jedoch alle notwendigen Änderungen am Systemdesign kennen. Zu achten ist unter anderem auf das Schaltverhalten und die Schaltverluste sowie auf die gesamte Streuinduktivität auf Systemebene. Besonders EMI-, dv/dt- und di/dt-Probleme können sich verstärken und zu Schwierigkeiten führen und erfordern eine angemessene Designoptimierung des gesamten Leistungselektroniksystems. Worauf speziell beim Design von Wechselrichtern mit SiC-MOSFETs zu achten ist, beschreibt Wolfspeed in diesem Beitrag.

Das Leistungsmodul CAS325M12HM2 von Wolfspeed ist ein qualifiziertes Produkt der HAT-3000-Produktfamilie, das unter anderem für industrielle und automobile Motorantriebsanwendungen entwickelt wurde. Diese Produktlinie nutzt die Vorteile SiC-basierter Halbleiterbauelemente durch die Neugestaltung einer 62-mm-Grundlfäche. Das All-SiC-Leistungsmodul kommt mit 1200 V, 445 A und 3,6 mΩ On-Widerstand (7 × 25-mΩ-MOSFETs und 6 × 50-A-Schottky-Dioden pro Schalterstellung) und arbeitet bei einer Höchsttemperatur von 175 °C. Dieser niedrige On-Widerstand, verbunden mit mehreren parallelen, großen SiC-MOSFETs, ist für leitungsverlustbeschränkte Anwendungen mit hohem Laststrom (~ 900 A) wünschenswert.

Während das Leistungsmodul CAS325M12HM2 der Schwerpunkt dieses Artikels ist, kann das HT-3000-Package unterschiedliche Konfigurationen von 900-V bis 1700-V-MOSFETs mit optionalen, antiparallelen Dioden aufnehmen. Das Halbbrückenleistungsmodul hat einen Leistungspfad mit niedriger parasitärer Induktivität (Lσ ~ 5,5 nH bei 1 MHz) und symmetrische Signalpfade mit niedriger Induktivität, wobei LG1 und LG2 von vergleichbarer Größe sind. Thermomechanisch zeichnet sich das Modul durch einen für hohe Temperaturen optimierten Materialstapel mit Si3N4-AMB-(Active-Metal-Braze)-Substrat, AlSiC-Sockel und anderen Hochtemperatur-Gehäusematerialien mit demselben Sockelprofil wie die standardmäßige 62-mm-Grundfläche aus.

Das Design der Gate-Source-PCB intern im Modul und die Wahl des internen Gate-Widerstands sind wichtig für eine optimale Leistung des Moduls hinsichtlich EMI und reduzierten Schaltverlusten. Die Gate-Source-Schleifeninduktivität der PCB sollte minimiert werden, um die Gate-Schwingungen zu reduzieren, die empfindlich für die hohen di/dt- und dv/dt-Werte (im Deutschen du/dt) des SiC-Bauelementes sind.

 

Wie sich ein SiC-Companion-Gate-Treiber konzipieren lässt und welche Designkompromisse notwendig sind, erfahren sie auf der nächsten Seite.

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