SiC-Halbleiter für kompakte effiziente Elektroantriebe und Ladesysteme

Bild 1: Bei moderater Belastung erreicht das 900-V-Halbbrücken-Modul mit mehreren parallelen SiC-MOSFETs einen Rds(on) von 2,1 mΩ bei 175 °C. Cree / Wolfspeed

Im Vergleich zu Silizium (Si) zählen höhere Sperrspannung, schnellere Schaltgeschwindigkeiten und niedrigere Schalt- sowie Durchlassverluste zu den Vorzügen von Siliziumkarbid (SiC). Zusammen mit der höheren thermischen Leitfähigkeit lassen sich kompaktere und effizientere Leistungselektroniksysteme entwickeln, wie sie beispielsweise im Antriebsstrang, in Ladesystemen und in der Bordnetzenergieverteilung in allen Hybrid- und Elektrofahrzeugen (HEV, PHEV, EV) zum Einsatz kommen.

Siliziumkarbid im EV-Antriebsstrang

Die Leistung von elektrischen Fahrzeugantrieben liegt im Bereich zwischen 80 und 300 kW. Mittlerweile steht fest, dass die Verluste des Elektromotorantriebs 3 % bis 7 % der Gesamtverluste des Fahrzeugs ausmachen. Im Stadtverkehr liegt dieser Wert deutlich höher als bei Fahrten auf der Autobahn oder Landstraßen. Hier sind optimierte SiC-MOSFETs und -Leistungsmodule von Unternehmen wie Wolfspeed anderen Power-Komponenten am Markt deutlich überlegen. Sie können die Verlustleistung erheblich reduzieren.

Welche Technologien eine solche Reduzierung ermöglichen, zeigt Wolfspeed anhand eines SiC-Hochleistungs-Halbbrückenmodul mit 900 V Schaltspannung und einer Abmessung von 62 mm Länge. Es weist eine sehr niedrige Induktivität von 5,5 nH und ein geringes Volumen auf. Diese Faktoren bedingen niedrige Durchlasswiderstandwerte (R_DS(on)) und Leitungsverluste. Das Modul nutzt einen neu entwickelten 900-V-SiC-MOSFET mit einem R_DS(on) von 10 mΩ auf Basis der dritten Generation von Wolfspeeds planarer MOSFET-Technologie.

Bei diesem SiC-MOSFET wurde die zuverlässige DMOS-Struktur (Double-Diffused MOS) beibehalten. Der R_DS(on)-Wert der neuen 900-V-Module, bei denen acht MOSFETs pro Schaltposition eingesetzt werden, beträgt jedoch nur 1,25 mΩ bei 25 °C sowie 2,1 mΩ bei 175 °C bei leichter Last. Diese Werte sind deutlich niedriger als die von vergleichbaren Silizium-MOSFETs sowie von SiC-Komponenten anderer Anbieter. Die besseren Leistungsverluste des Moduls schlagen sich im Vergleich zu ähnlich eingestuften Wechselrichtern auf Basis von Si-IGBTs in bis zu 70 % geringeren Umrichter-Verlusten nieder.

Einfluss von Betriebstemperatur und Schaltleistung

Bild 2: Der Rds(on) des SiC-Halbbrücken-Moduls ist temperaturabhängig, wird jedoch kaum von der Schaltleistung beeinträchtig. Cree / Wolfspeed

Da die meisten Fahrzyklen von Elektromobilen in der Praxis bei leichter Belastung erfolgen, führt der Einsatz von Wechselrichtern auf Basis von SiC-MOSFETs in diesem Fall zu einer besonders starken Reduzierung der Leistungsverluste. Das wiederum wirkt sich positiv auf die maximale Reichweite aus, sowie auf Größe und Gewicht der Elektronikkomponenten, die Verluste bei der Energierückgewinnung und auf die Batterie- wie auch letztlich die Systemkosten. Erste Tests bestätigten, dass die 900-V-SiC-Halbbrückenmodule Schaltströme von mehr als 800 A bei 175 °C Chip-Temperatur und mehr als 600 V Schaltspannung problemlos und verlustarm bewältigen.

Im Gegensatz zu Si-IGBTs sind die Schaltverluste von SiC-MOSFETs in den meisten Fällen von der Temperatur unabhängig. Zudem weisen Siliziumkarbid-Komponenten keine Kniespannung wie Si-IGBTs auf. Der Durchlasswiderstand des 900-V-SiC-Moduls beträgt bei Raumtemperatur nur 1,25 mΩ, wobei ein Großteil auf die Leadframes des Moduls (Zuleitungen zwischen dem Chip und seinen Pins) zurückzuführen ist. Bei 175 °C und 800 A liegt der On-Widerstand bei 2,1 mΩ, was bei Leistungsmodulen dieser Kategorie ein Rekordwert ist.

Effizienz und Leistungsdichte von Ladesystemen erhöhen

Die Akku-Ladesysteme von Elektrofahrzeugen enthalten mehrere kritische Leistungselektronik-Subsysteme, die sich optimieren lassen. Besitzer von Plug-in-Hybrid-Elektromobilen wünschen sich beispielsweise möglichst kurze Ladezeiten an einer externen Ladestation. Bei reinen Hybrid-Elektrofahrzeugen sind dagegen zuverlässige und langlebige Ladesysteme gefragt. Um beide Anwendungsfälle gleichermaßen abzudecken, sind Leistungselektronik-Systeme erforderlich, welche die Leistung möglichst effizient wandeln, hohe Betriebstemperaturen verkraften und eine hohe Leistungsdichte aufweisen.

Im TO-247-3-Package verbaute 900-V-SiC-MOSFETs weisen deutlich geringere Schaltverluste auf, verglichen zu einem D2PAK-Gehäuses mit Kelvin-Verbindung. Cree / Wolfspeed

Eine Erhöhung der Leistungsdichte lässt sich mit höheren Schaltfrequenzen und die damit mögliche Verkleinerung der passiven Filterkomponenten erreichen. Allerdings weisen Si-MOSFETs und entsprechende IGBTs in Hochfrequenz-Leistungsschaltern Grenzen auf, die von ihren hohen inhärenten Schaltverlusten und unzureichenden internen Body-Dioden herrühren. Hinzu kommt der ungünstige On-Widerstand bei Si-MOSEFTs: Er steigt typischerweise um den Faktor 3, wenn sich die Temperatur erhöht. Dies wiederum führt zu thermischen Problemen und einer signifikanten Einschränkung der Funktionalität.

Diese Schwachpunkte sind bei Wolfspeeds 900-V-Halbbrücken-Leistungsmodul mit 65 mm eliminiert. Seine Leistungszahl R_DS(on) × Q_g beträgt nur einen Bruchteil von dem vergleichbarer Silizium-Bauteile. Der On-Widerstand steigt zudem über den gesamten Temperaturbereich hinweg nur um das 1,3-fache. Ergänzend ermöglichen höhere Schaltspannungen und größere Durchbruchspannung die Entwicklung kompakterer und effizienterer Ladesysteme mit kürzeren Ladezeiten.

Zur Leistungsverbesserung tragen auch neue SiC-MOSFET-Gehäuseformen mit integrierten Kelvin-Anschlüssen bei. Sie sind induktivitätsarm, reduzieren Störeinflüsse wie das Gate-Ringing und erlauben damit höhere Schaltfrequenzen als bei bisherigen Packages.

PiN-Dioden mit zu hohen Schaltverlusten ersetzen

Werden SiC-Schottky-Dioden in einem Hochvolt-DC/DC-Aufwärtsregler implementiert, sind auch hier Performance-Verbesserungen möglich. Solch ein Wandler kann in einem On-Board-Ladesystem oder dem zweiten Gleichrichter-Teil eines externen DC-Schnell-Ladegeräts zum Einsatz kommen. Normalerweise kommen in Systemen mit Spannungen von mehr als 300 V Silizium-PiN-Dioden zum Einsatz, denn Schottky-Dioden sind für diesen Spannungsbereich nicht verfügbar.

SiC-Schottky-Dioden von Wolfspeed weisen einen Zero-Reverse-Recovery-Strom (IRR) auf. Der Hintergrund ist, dass sich mit SiC unipolare Komponenten bei hohen Spannungswerten betreiben lassen. Cree / Wolfspeed

Bipolare PiN-Dioden weisen allerdings nur ein mäßiges Reverse-Recovery-Verhalten (Sperrverzögerungs-Zeit) auf und wirken sich damit negativ auf höhere Schaltfrequenzen und die Effizienz aus. Im Vergleich dazu eliminieren die Zero-Reverse-Recovery-Eigenschaften von unipolaren SiC-Schottky-Dioden nachhaltig alle Schaltverluste und machen aufgrund höherer Schalfrequenzen deutlich effizientere Leistungsmanagement-Systeme realisierbar.

Der Strom während der Sperrverzögerungs-Zeit einer Si-Diode erhöht sich bei steigenden Temperaturen. Bei einer SiC-Schottky-Diode bleibt er dagegen gleich. Mit steigender Temperatur des Ladesystems oder Wechselrichters verringert sich Schalteffizienz von Silizium-Dioden, wogegen dieser Effekt bei SiC-Schottky-Dioden nicht auftritt. Das ist bei Elektrofahrzeugen wichtig, weil die entsprechenden Ladesysteme in der Regel hohen Umgebungs- und Betriebstemperaturen ausgesetzt sind. SiC-Komponenten sind für solche Einsatzfelder also die bessere Wahl.

On-Board-Ladegerät mit 6 kW

Wie effektiv sich SiC-Komponenten in On-Board-Ladegeräten von Elektrofahrzeugen einsetzen lassen, zeigt ein Hochleistungs-Ladesystem von Wolfspeed. Es wurde auf Basis von 41-mm-Halbrücken-Modulen in SiC-Technologie entwickelt und kam für Tests in einem Plug-in-Hybridfahrzeug zum Einsatz. Auf hohe Werte bezüglich Leistungsdichte, Effizienz und Betriebstemperatur optimiert konnte der Wandler in einem sehr kompakten Design realisiert werden.

Das Ladegerät ist als konventioneller Zwei-Stufen-Wandler aufgebaut. Er besteht aus einem brückenlosen AC/DC-PFC-Boost-Converter (Power Factor Correction) und einem isolierten DC/DC-PSFB-Wandler (Phase-Shifted Full Bridge). Die hart geschaltete Topologie des PFC-Konverters ermöglicht eine deutlich effizientere Leistungswandlung. Bei einer Schaltfrequenz von 250 kHz erreicht der AC/DC-Wandler eine Effizienz von 98,5 %, der PSFB-Wandler 96,5 % bei 200 kHz. Der komplette Schaltwandler wies eine Gesamteffizienz von 95 % auf, bei einer Schaltfrequenz von 200 kHz und einer Ausgangsleistung von 3,1 kW.

Gewicht und Volumen verringern

Für eine maximale Systemdichte müssen Gewicht und Volumen aller Komponenten eines Umrichter-Systems verringert werden. Beim genannten On-Board-Ladegerät wurden daher die Hochleistungs-Module und magnetischen Komponenten direkt auf einem Kühlkörper montiert. Das Modul verfügte über eine isolierte Grundplatte aus einem Verbundwerkstoff (Metal Matrix Composite, MMC). Dies verbesserte die thermische Leitfähigkeit und verhinderte Verformungen durch Temperatureinflüsse. In planarer Bauform sind die magnetischen Komponenten sehr kompakt. Daraus resultierten eine gravimetrische Leistungsdichte von 3,8 W/kg und eine volumetrische Leistungsdichte von 5,0 kW/L. Gegenüber einem Design mit Silizium-Komponenten bedeutete dies eine Verbesserung um den Faktor 10.

Das 41-mm-SiC-Hochleistungs-Modul, das den Kern des Wandlers bildet, lässt sich als Halb- oder Vollbrücken-Modul für einen Dauerstrom von bis zu 100 A konfigurieren. Die gesamte Palette von Wolfspeeds MOSFET-Produktlinie deckt den Bereich zwischen 900 V und 1700 V ab und ist für Temperaturen von bis zu 175 °C ausgelegt.

Deutliche Vorteile durch SiC

Die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen aller Art profitiert in hohem Maße, wenn MOSFETs, Schottky-Dioden und Module auf Basis von Siliziumkarbid Verwendung finden. Mit diesen Komponenten können Entwickler sowohl bei Antrieben als auch Ladesysteme erhebliche Performance-Steigerungen erzielen. Hinzu kommt eine höhere Effizienz, geringerer Platzbedarf und weniger Gewicht. Entwickler können dadurch Kühlsysteme einsparen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen in einem Maße steigern, wie es bislang nicht vorstellbar war.

(jwa)