Es ist hinlänglich belegt, dass Leistungskomponenten auf Grundlage von Siliziumkarbid (SiC) deutlich bessere Performance-Werte aufweisen und erheblich kleinere und leichtere Baugrößen ermöglichen als Systeme mit Siliziumbausteinen. Vorteilhaft sind unter anderem höhere Sperrspannungen, geringere Leitungsverluste und eine bessere thermische Leitfähigkeit.  SiC-MOSFETs weisen deutlich niedrigere Schaltverluste auf als MOSFETs und Si-IGBTs, bei SiC-Dioden treten keine Verluste in der Sperrverzögerung (Reverse Recovery Loss) auf und SiC-Halbleiter erreichen eine deutliche höhere Stromleitfähigkeit bezogen auf die Die-Fläche.

eckdaten

Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid erreichen in Leistungselektronik-Systemen erhebliche Performance-Verbesserungen. Höhere Schaltspannungen und -frequenzen sowie Leistungsdichten reduzieren Gewicht und Größe der L- und C-Komponenten, verringern den Kühlungsaufwand und die Schaltungskomplexität. Wolfspeed bietet hierfür SiC-Power-Module an, mit denen sich Leistungselektronik-Systemlösungen entwickeln lassen, die mit Silizium-Bausteinen schlichtweg nicht zu realisieren sind.

Allerdings sind SiC-Komponenten nicht per se Bausteine für die Leistungswandlung. Daher sind innovative Designs erforderlich, um die Vorteile von Siliziumkarbid bei Hochleistungssystemen zum Tragen zu bringen. Dass ein wachsender Bedarf an solchen Komponenten besteht, ist unbestritten. So wird der Bedarf an Fahrzeugen mit elektrischen Antriebssystemen in den kommenden Jahren drastisch steigen. Elektrofahrzeuge mit Hybrid-Motoren, Plug-in-Hybrid-Antrieben und reinen batteriegestützten Antriebskonzepten enthalten eine ganze Reihe kritischer Komponenten, die von Leitungselektroniksystemen auf Grundlage von SiC profitieren.

Kleinere und effizientere DC/DC-Wandler

SiC-Komponenten kommen aber auch in Photovoltaik-Wechselrichtern zum Einsatz sowie in Systemen für die Umwandlung von Gleich- und Wechselstrom elektronischer Geräte und Kommunikationssysteme.  Hersteller sind bestrebt, die neuesten Komponenten aus dem Bereich Leistungselektronik in ihre Designs zu integrieren, um die Gesamtleistung und die Effizienz zu erhöhen, gleichzeitig jedoch Kosten, Gewicht und Komplexität zu reduzieren.

Diese Anforderungen erfüllen DC/DC-Leistungswandler auf Grundlage der SiC-Technologie wie etwa die SiC-MOSFETs der Reihe C3M065100K 1000 V von Wolfspeed, die in Off-Board-Ladestationen für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen. Diese Bausteine bieten die industrieweit niedrigste Figure of Merit (FOM) und stehen in zwei Demonstrator-Inverter-Versionen zur Verfügung:

  • Ein Zweiebenen-LLC-Resonanzwandler arbeitet zwischen 200 und 400 kHz und erreicht eine Effizienz von 98,4 % bei einem Vo/p von 200 bis 500 V.
  • Ein Zweiebenen-Wandler mit Phasenverschiebung ist ebenfalls für den Frequenzbereich 200 bis 400 kHz ausgelegt und arbeitet mit einem Wirkungsgrad von  maximal 97,5 % bei Vo/p-Werten von 200 bis 700 V.
Bild 1: Ein DC/DC-Wandler mit einer Leistung von 20 kW, der SiC-Komponenten von Wolfspeed verwendet (links), ist deutlich kompakter als ein Modell mit 15 kW auf Grundlage von Silizium-Bausteinen (rechts).

Bild 1: Ein DC/DC-Wandler mit einer Leistung von 20 kW, der SiC-Komponenten von Wolfspeed verwendet (links), ist deutlich kompakter als ein Modell mit 15 kW auf Grundlage von Silizium-Bausteinen (rechts). Wolfspeed

Nur die Hälfte der Bausteine erforderlich

Benchmark-Tests auf Systemebene mit SiC-Komponenten und den leistungsstärksten 650-V-Silizium-MOSFETs zeigen, dass es durchaus möglich ist, mithilfe von SiC-Komponenten von Wolfspeed den Aufbau von Systemen im Bereich Leistungselektronik zu vereinfachen. Im Gegensatz zu Siliziumchip-Designs mit drei Ebenen kommen SiC-Architekturen mit nur zwei Ebenen aus.

Durch den Einsatz von SiC-Komponenten und Modifikationen der Schaltungstopologie lässt sich die Zahl der benötigten Bausteine in diesem Fall von 16 Silizium-Elementen auf acht SiC-MOSFETs reduzieren. Dadurch steigt gleichzeitig die Effizienz eines Wandlers und die zweistufige SiC-Schaltung vereinfacht das Gate-Driver-Design. Bedingt durch den höheren Frequenzbereich sinken sowohl die Größe als auch die Kosten der magnetischen Komponenten. Zusätzlich lassen sich beide Zweiebenen-Wandler mit MOSFETs von Wolfspeed wegen der maximalen Drain-Source-Schaltspannung von 1000 V problemlos mit 850 VDC betreiben.

Bild 1 zeigt die Systemhardware eines konventionellen 15-kW-DC/DC-Wandlers auf Siliziumbasis und eines vergleichbaren SiC-MOSFET von Wolfspeed mit 20 kW. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Wandler mit SiC-Komponenten mit einer kompakteren Platine auskommt, und dies trotz des höheren Leistungsbereichs. Außerdem erreichen die SiC-MOSFETs eine Effizienz von 98,4 % (Peak), etwas höher als die von Siliziumhalbleitern mit 97,5 % (Peak).

Bild 3: Das SiC-MOSFET-Modul CAS300M12BM2 mit integrierter Z-Rec-Freilaufdiode schaltet Spannungen bis 1,2kV und hat einen R<sub>DS(on)</sub> von 5 mΩ.

Bild 3: Das SiC-MOSFET-Modul CAS300M12BM2 mit integrierter Z-Rec-Freilaufdiode schaltet Spannungen bis 1,2kV und hat einen R<sub>DS(on)</sub> von 5 mΩ. DS(on) von 5 mΩ. Wolfspeed

Kompaktere und kühlere Wechselrichter

SiC-Leistungskomponenten ermöglichen völlig neuartige Systemlösungen bei kommerziellen Si-IGBT-Wandler-Stacks, die aus Modulen mit 62 mm, 400 A und 1,2 kV bestehen. Typische Bestandteile solcher Stacks sind DC-Zwischenkreiskondensatoren, ein Kühlkörper mit Lüfter sowie Gatetreiber mit Schutzschaltungen und Sensoren.

Im Datenblatt werden für den ausgewählten IGBT-Stack Werte von 140 kW (200 Arms) Ausgangsleistung bei einer Schaltfrequenz fsw von 3 kHz ausgewiesen. Damit ist der Stack der kleinste einer Reihe kommerziell verfügbarer Produkte und ein typischer Vertreter von modularen Stromversorgungssubsystemen. Diese kommen beispielsweise in Solarinvertern und bei Antrieben zum Einsatz.

Dieser IGBT-Stack wurde nun im Rahmen einer Studie mit SiC-Modulen von Wolfspeed neu dimensioniert. Statt der drei IGBT-Module mit 1200 V und 400 A kamen drei SiC-Komponenten (CAS300M12BM2) mit 1200 V und 300 A zum Zuge. Das Sechs-Kanal-Gate-Driver-Board wurde durch drei Zwei-Kanal-Platinen ersetzt, die speziell für SiC-Module ausgelegt sind. Da alle SiC-Leistungskomponenten im selben Formfaktor und mit kompatiblen Gatetreibern zur Verfügung stehen, war das problemlos möglich.

Vorteile der SiC-MOSFET-Module

In die SiC-MOSFET-Module mit 1200 V und 300 A sind SiC-Schottky-Freilaufdioden integriert. Die Siliziumkarbid-Module weisen im Vergleich zu 400-A-IGBT-Modulen fünf zentrale Vorteile auf:

  • Geringe Schaltverluste
  • Niedrigere Leitungsverluste
  • Vernachlässigbare Schaltverluste der Dioden
  • Höhere Spannen bei der Durchschlagspannung
  • Unempfindlichkeit gegenüber Fehlern durch kosmische Strahlung und Single Event Burnouts (SEB)

Der Stack mit den SiC-Komponenten wurde in einem Dreiphasen-Wandler getestet. Anschließend erfolgte ein Vergleich der Resultate mit den Werten, die im Datenblatt des IGBT-Stacks ausgewiesen waren. Wie erwartet zeigte sich beim SiC-Stack eine deutlich geringere Verlustleistung. Dadurch ist es möglich, bei deutlich höheren Schaltfrequenzen dieselbe Ausgangleistung und Effizienz zu erreichen.

Somit lässt sich mithilfe von SiC-Bausteinen ein kompakteres, leichteres und preisgünstigeres System konzipieren, das bei vergleichbaren Schaltfrequenzen eine höhere Leistung bietet. Das wiederum schlägt sich positiv auf die Leistungsdichte und das Verhältnis Watt pro Euro nieder.

Bild 2: IGBT-Stacks im Vergleich mit Versionen auf Basis von Siliziumkarbid (SiC).

Bild 2: IGBT-Stacks im Vergleich mit Versionen auf Basis von Siliziumkarbid (SiC). Wolfspeed

Eine weitere Option besteht darin, ein System mit SiC-Komponenten bei niedrigeren Sperrschicht-Temperaturen und mit einer höheren Effizienz zu betreiben. Das wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit aus und reduziert die Ausfallwahrscheinlichkeit.

Positionierung der SiC-Version

Betrachtet man die gesamte Familie der IGBT-Stacks, stellt sich die Frage, in welchem Bereich der Produktreihe eine SiC-Version ihren Platz hat. Dies hängt von der Schaltfrequenz der Applikation ab.

Bild 2 zeigt den Nennausgangsstrom der Produkte in Beziehung zur Schaltfrequenz fSW. Wie erwartet besteht zwischen dem Ausgangsstrom und der Schaltfrequenz eine inverse Beziehung. Allerdings geht der Ausgangsstrom der Si-IGBT-Stacks (rote Graphen) bei steigender Frequenz deutlich stärker zurück als bei der SiC-Variante (blauer Graph).

Beeindruckend ist, dass der kleinere SiC-Wandler bei einer Schaltfrequenz fSW von 10 kHz denselben Strom von etwa 270 Arms liefert wie der physikalisch dreifach größere 750-A-Wandler auf Basis von Silizium. Der hellblau markierte Bereich in Bild 2 stellt den erweiterten Einsatzbereich dar, die den Si-IGBTs aus wirtschaftlichen Gründen verschlossen bleiben.

Mit Siliziumbausteinen nicht realisierbar

Bei Leistungselektroniksystemen wie DC/DC-Wandlern, Wechselrichtern und integrierten Onboard-Ladegeräten lassen sich erhebliche Performance-Verbesserungen erreichen, wenn MOSFETs, Module und Schottky-Dioden auf Basis von Siliziumkarbid zum Einsatz kommen. Hinzu kommen Gewichtseinsparungen und der niedrige Platzbedarf.

Entwickler können somit Systeme höherer Effizienz und Leistungsdichte entwerfen.  Außerdem profitieren sie von den geringeren Anforderungen an die Kühlsysteme und das Wärmemanagement sowie von der geringeren Komplexität der Schaltungen. Mithilfe von SiC-Power-Komponenten wie denen von Wolfspeed lassen sich Systemlösungen im Bereich Leistungselektronik entwickeln, die mit Siliziumbausteinen schlichtweg nicht zu realisieren sind.