Design kompakter 250-kW-Dreiphasen-Wechselrichter mit SiC-MOSFETs

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

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 (L_σ ~ 5,5 nH bei 1 MHz) und symmetrische Signalpfade mit niedriger Induktivität, wobei L_G1 und L_G2 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.

SiC-Companion-Gate-Treiber konzipieren

Bild 1: 200-kW-Hochleistungs-Wechselrichter-Auswertungsgerät von Wolfspeed (links), Hochleistungs-All-SiC-Halbbrückenleistungsmodul CAS325M12HM2 (Mitte) und Companion-Gate-Treiber CGD15HB62LP (rechts). Wolfspeed

Aufgrund der extrem hohen di/dt- und dv/dt-Werte ist es wichtig, SiC-Companion-Gate-Treiber so zu konzipieren, dass ein Anschluss auf der Moduloberseite möglich ist, um so die Streuinduktivität der Gate-Schleife zu reduzieren. Der Gate-Treiber CGD15HB62LP (Bild 1) ist für eine direkte Schnittstelle mit dem Leistungsmodul konzipiert, während die Gates mit ausreichend Strom und Störfestigkeit angesteuert werden, um hohe Schaltfrequenzen im Bereich von mehreren hundert kHz zu erzielen. Die bipolaren Gate-Spannungen und hohen Schaltfrequenzen stellen Herausforderungen bei der Optimierung des SiC-Gate-Treiber-Designs dar. SiC-MOSFET-Bauelemente werden optimal mit Gate-Source-Einschaltspannungen von +15 V bis +20 V und Abschaltspannungen von -4 V bis -5 V angesteuert.

Externe Gate-Widerstände kontrollieren die Geschwindigkeit, mit der die Gate-Kapazität geladen und entladen wird und bestimmen daher die Schaltverluste des Systems. Je niedriger der Gate-Widerstand ausfällt, desto schneller ist die Schaltzeit und desto größer die Überhöhung. Eine Minimierung der Isolationskapazität des Gate-Treibers ist wichtig, um die Störfestigkeit des Systems im Hinblick auf hohe dv/dt-Störungen durch die Schaltung des SiC-Leistungsmoduls zu verbessern. Eine Differentialsignalübertragung für Ansteuerungs- und Rückmeldesignale verbessert die Störfestigkeit auf Systemebene weiter, indem sie Gleichtaktstörungen der Verkabelung oder der Eingangs-Pins des Gate-Treibers unterdrückt.

Notwendige Designkompromisse

Bild 2: DC-laminierte Busstruktur für den 250-kW-Traktionswechselrichter von Wolfspeed. Wolfspeed

Um die Systemeffizienz und Leistungsdichte SiC-basierter Wandlersysteme zu optimieren, sind zunächst Designkompromisse bei verschiedenen Komponenten und Subsystemen zu ermitteln und zu priorisieren. Im Vergleich zu anderen handelsüblichen Leistungsmodulen sind die SiC-optimierten Packages von Wolfspeed, wie etwa der CAS325M12HM2, aufgrund der untypischen, optimierten Lage der drei Leadframes (Bild 2) etwas schwieriger hinsichtlich der Busstruktur. Die relative Ausrichtung von V+, Midpoint/AC-Out und V- macht das externe DC-Bussing schwieriger, wenn der Designer eine niedrige Bus-Streuinduktivität erreichen will. Die Busstruktur ist ein interdisziplinäres Designproblem im elektrischen, thermischen und mechanischen Bereich.

Elektrisch sollte die Kommutationsschleife, die den laminierten DC-Bus und die Zwischenkreis-Kondensatorbank umfasst, eine Struktur mit minimaler ESL (dünne, breite Flächen) und niedrigem ESR (hochleitfähiges Material und große Leitungsquerschnittsfläche) aufweisen. Thermisch ist ein geringer Temperaturanstieg aufgrund des maximal erwarteten Effektivstroms erforderlich, der die Struktur passiert. Mechanisch ist eine hohe Robustheit gegenüber normalen Stößen und Vibrationen während der Nutzung notwendig. Die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters wird durch die Spannungsüberhöhung infolge der in der parasitären Induktivität gespeicherten Energie eingeschränkt, von der die Drain- und Source-Anschlüsse des Leistungsmoduls während der Abschaltung betroffen sind.

Diese parasitäre Induktivität L_σ kombiniert mit höheren di/dt-Werten beeinflusst die Spannung und die Stromnutzung des Leistungsmoduls auf zweierlei Art negativ. Die erste ist die Spannungsüberhöhung ΔV_overshoot = – L_σ · (di/dt), die zur Zwischenkreisspannung hinzukommt. Dies zwingt V_bus zu einem künstlich niedrigen Wert, da V_bus + ΔV_0-peak + ΔV_overshoot + Sicherheitsmarge strikt unter dem Modulrating liegen müssen. Hier ist ΔV_0-peak die höchste Gleichspannungswelligkeit infolge der Interaktion des AC-Stroms mit dem ESR der Kondensatorbank. Zweitens muss der Modulstrom auch während der Abschaltung eingeschränkt oder verlangsamt werden, um den di/dt-Wert und damit die Spannungsüberhöhung zu begrenzen.

Die Verlangsamung des Bauelementes während der Abschaltung hat zusätzliche Schaltverluste zur Folge, die das Bauelement thermisch beeinträchtigen und die Gesamteffizienz des Systems verschlechtert. Somit hat die Begrenzung des di/dt-Wertes durch die Reduzierung des Stroms oder die Verlangsamung des Leistungsgerätes während der Abschaltung eine Reduzierung der Stromnutzung des Leistungsmoduls zur Folge. Daher ist eine Minimierung der parasitären Induktivität der laminierten DC-Busstruktur unerlässlich, um den Vorteil von SiC-Leistungsmodulen zu maximieren.

Warum parasitäre Induktivitäten unbedingt zu minimieren sind und was bei der AC-Busstruktur zur beachten ist, beschreibt der Beitrag auf der folgenden Seite.

Parasitäre Induktivitäten minimieren

Bild 3: Kleinsignal-Impedanzmessung der laminierten DC-Busstruktur aus Bild 2 mit (rote Linie) und ohne (blaue Linie) Snubber-Board. Wolfspeed

In enger Zusammenarbeit mit einem Anbieter laminierter Stromschienen hat Wolfspeed eine Konfiguration mit sehr niedriger DC-Bus-Induktivität für das Evaluationskit entwickelt, die mit den 900-V-, 1200-V- und 1700-V-Bauelementen von Wolfspeed im HT-3000-Leistungsmodul für 200 kW und darüber geeignet ist. Dieses Design gewährleistet eine maximale Magnetfeldunterdrückung, um die parasitäre Induktivität des Bus-Systems zu reduzieren, von der das Leistungsmodul betroffen ist.

An der laminierten DC-Busstruktur erfolgte eine elektrische Modellierung ohne Zwischenkreiskondensatoren, um die Kommutationsschleife zu minimieren und den hohen di/dt-Wert zu unterstützen, der während der Kommutationsintervalle des Leistungsmoduls erforderlich war. Nach Abschluss der detaillierten FEA-Simulation (Finite-Elemente-Analyse) und der Vermaschung des Designs wurde der Streuinduktivitätswert auf 3,53 nH geschätzt. Um die Induktivität der gefertigten, laminierten DC-Busstruktur mit den FEA-Ergebnissen zu vergleichen, verwendete Wolfspeed eine Kleinsignal-Impedanzmessmethode mit einem Impedanzanalysator mit hoher Bandbreite.

Bild 3 zeigt die Testergebnisse der Kleinsignal-Impedanzmessungen der gesamten Kommutationsschleife an den Modulanschlüssen. Abgebildet sind zwei Magnituden- und Phasenverläufe mit und ohne kapazitiven Snubber, welcher letztlich aus dem finalen Systemdesign entfernt wurde. Die Impedanzmessung erfolgte mittels einer Prüfvorrichtung, die die Geometrie des Leistungsmoduls nachbildete. Diese Prüfvorrichtung wurde genutzt, um die Kleinsignalanregung zu injizieren und den Kleinsignalverlauf des Bus-Netzwerks aus der Modulperspektive zu messen. Diese Messung bewies, dass die laminierte DC-Busstruktur nur 3 nH Induktivität aufwies, was innerhalb von 15 Prozent des FEA-Ergebnisses liegt. Der niedrige DC-Induktivitätswert wurde durch eine kleine, 0,23 mm breite Trennung zwischen den Platten, eine hohe Stromüberlagerung und breite, stabförmige Abstandshalter anstelle von mehreren zylindrischen Stiften erreicht, die die Struktur mit den Leadframes des Leistungsmoduls verbinden.

AC-Busstruktur

Bild 4: Wechselrichter-Dreiphasen-Spannung und Phasenstrom für den 250-kW-Ausgang: fsw= 20 kHz, 700-VDC-Bus, Ausgangsfrequenz 60 Hz. Wolfspeed

Das AC-Bussing (rechter Teil in Bild 3) verbindet die Midpoint-Anschlüsse des Leistungsmoduls mit den Dreiphasenlastanschlüssen, was eine detaillierte Designoptimierung ähnlich dem beschriebenen DC-Bussing erfordert. Elektrisch muss das AC-Bussing eine Struktur mit niedrigem ESR aufweisen, es gibt jedoch keine echte Designeinschränkung bei der AC-Ausgangs-Sammelschieneninduktivität. Zu beachten ist, dass die ESL jeder Ausgangsphase in Serie mit der jeweiligen Phaseninduktivität der Dreiphasenlast erscheint. Thermisch ist nur ein maximaler Temperaturanstieg von 80 °C zulässig, damit der für 105 °C zugelassene Kleber aus dielektrischem Kupfer während des Betriebs nicht degradiert.

Die Wechselrichter-Auswerteeinheit (Bild 1) von Wolfspeed wurde mit einer statischen Dreiphasen-R-L-Last getestet. Die vorläufige Leistung des Wechselrichters mit dem SiC-optimierten Hochleistungsdesign ist in Bild 4 dargestellt. Zur Anwendung kommt ein DC-Bus mit 700 V, um eine dreiphasige Leiter-Leiter-Spannung mit einem Effektivwert von 460 V zu erzeugen. Diese 700 V sind niedriger als der theoretische Bedarf, erlauben aber die Synthese eines symmetrischen Satzes an 460-V-Effektiv-Spannungen, wenn auch mit einer leichten Spannungsverzerrung. Diese Zwischenkreisspannung wird durch die Kapazitäten der Stromprüfanlage und nicht durch die Wechselrichter-Hardware begrenzt.

Wolfspeed hat Hochleistungs-Referenzdesigns rund um seine SiC-optimierte Leistungsmodul-Produktlinie entwickelt, die gewährleisten sollen, dass Endsystemdesigner mit minimalem Aufwand beste Praktiken erhalten, um im SiC-basierten Systemdesign optimierte Leistungen zu erzielen. Das optimierte CRD200DA12E-1200-V-Wechselrichter-Design bietet bis zu 250 kW kontinuierliche Leistung bei 850-900-V_DC-Bus und einer PWM-Schaltfrequenz von 20 kHz. Das System wiegt 16 kg und hat ein Volumen von 26,3 l (44 cm lang, 39,8 cm breit, 15 cm hoch).

(na)