Bild 8: Vorschlag für eine phase-shifted Vollbrücken-Implementierung des Microchip ASDAK+ im DC/DC-Abschnitt einer Transport-APU.

(Bild: Microchip)

Bild 1: Schwellenspannung von SiC-MOSFETs in Serienqualität vor und nach negativem (links) und positivem (rechts) Gate-Bias Stress bei hoher Temperatur.

Bild 1: Schwellenspannung von SiC-MOSFETs in Serienqualität vor und nach negativem (links) und positivem (rechts) Gate-Bias Stress bei hoher Temperatur. Microchip

Mit zunehmender Elektrifizierung und immer mehr Elektrofahrzeugen (EVs) im Consumer-Segment folgen auch andere Transportformen wie Eisenbahnen, Flugzeuge, Lastwagen, Geländewagen und mehr dem globalen Trend. Alle Elektrofahrzeuge haben zwei Systeme gemeinsam: die Antriebs-Stromversorgung (Traction Power Unit, TPU), die für den Antrieb des Fahrzeugs sorgt, und die Hilfsstromversorgung (Auxiliary Power Unit, APU), die den Strom für alle anderen Verbraucher an Bord von Beleuchtung über Türen bis hin zu Klimaanlagen und Stromanschlüssen liefert.

Bild 2: Beispiel einer extrapolierten Oxidlebensdauer bei einem serienmäßigen Microchip SiC-MOSFET.

Bild 2: Beispiel einer extrapolierten Oxidlebensdauer bei einem serienmäßigen Microchip SiC-MOSFET. Microchip

Im Gegensatz zu EVs, bei denen die Reichweite pro Ladung im Vordergrund steht, haben andere Transportanwendungen womöglich andere Prioritäten, die sich durch Verbesserungen an der APU realisieren lassen. Bei Stadtbahnen etwa ist der Platz in der Kabine besonders wichtig, da der freie Raum mehr zahlende Fahrgäste zulässt. Bei Fahrzeugen für den Bergbau, wo Ausfallzeiten täglich viele Millionen Euro kosten, ist die Zuverlässigkeit im Feld von größter Bedeutung. Bei allen Anwendungsfällen ist der Komfort der Fahrgäste entscheidend in einem Markt, in dem OEMs um die Gunst wählerischer Käufer konkurrieren.

Die hohen Schaltverluste von Silizium-IGBTs verhindern Verbesserungen bei Transport-APUs. Durch die Begrenzung der Schaltfrequenz bestimmen IGBTs die Mindestgröße der größten physischen APU-Komponenten, des Trenntransformators und des Kühlkörpers. Bei Verwendung von SiC lässt sich der Isolationstransformator über höhere Schaltfrequenzen drastisch verkleinern. Da sich die Schaltverluste um 80 Prozent oder mehr verringern, schrumpfen im Gegenzug die Kühlkörper. Darüber hinaus lassen sich APU-Schaltfrequenzen über den hörbaren Bereich hinaus erhöhen, wodurch das für die Fahrgäste unangenehme, hochfrequente Pfeifen entfällt. Die Durchgangsverluste von SiC-MOSFETs sind unter Leichtlastbedingungen geringer als bei konkurrierenden IGBTs.

Sind SiC-Bausteine der Aufgabe gewachsen?

Die Robustheit der SiC-MOSFETs unter verschiedensten Bedingungen ist entscheidend für APUs, die sowohl Komfort- als auch Notlasten versorgen. Folgendes ist zu prüfen: die Stabilität des MOSFET-Gate-Oxids – ein b / Gateekanntes Problem bei SiC-MOSFETs –, die Lebensdauer des Gate-Oxids, die Stabilität der Body-Diode des MOSFETs und Maßnahmen zur Ausfallfestigkeit wie Durchbruchs- und Kurzschlussfestigkeit.

Integrität des Gate-Oxids

Bild 3: RDSon vor und nach Belastung bei handelsüblichen SiC-MOSFETs, wobei die unterschiedliche Qualität der intrinsischen Body-Diode bei drei Anbietern deutlich auffällt.

Bild 3: RDSon vor und nach Belastung bei handelsüblichen SiC-MOSFETs, wobei die unterschiedliche Qualität der intrinsischen Body-Diode bei drei Anbietern deutlich auffällt. Microchip

Bei einer Verschiebung der Schwellenspannung ändert sich die Performance des Bauelements (z. B. erhöhter On-Widerstand), was zu unberechenbarem Systemverhalten und einem möglichen Ausfall der APU führt. Bild 1 zeigt, dass die Vth-Daten für SiC-MOSFETs in Serienqualität nach 1000 h Belastung bei 175 °C keine nennenswerte Änderung aufweisen sollten. Die Lebensdauer des Gate-Oxids lässt sich vorhersagen, indem die Alterung der Proben mit höherer Temperatur und einem starken elektrischen Feld bis zum Ausfall beschleunigt wird. Für jeden Ausfallmodus wird die Aktivierungsenergie ermittelt und dazu verwendet, eine Arrhenius-Gleichung für die Extrapolation der Oxidlebensdauer zu erstellen (Bild 2). Ein serienmäßiges SiC-MOSFET-Gate-Oxid kann bei hoher Beanspruchung weit über 100 Jahre halten, was das Vertrauen in einen routinemäßigen, zuverlässigen APU-Betrieb über die geplante Lebensdauer hinaus gewährleistet.

Stabilität der Body-Diode

Bild 4: Kurzschluss-Standzeit von SiC-MOSFETs in Produktionsqualität.

Bild 4: Kurzschluss-Standzeit von SiC-MOSFETs in Produktionsqualität. Microchip

Bild 5: Zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch vor und nach wiederholtem Durchbruchs-Ausfall bei handelsüblichen SiC-MOSFETs von vier Anbietern.

Bild 5: Zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch vor und nach wiederholtem Durchbruchs-Ausfall bei handelsüblichen SiC-MOSFETs von vier Anbietern. Microchip

Anders als bei einem IGBT kann der SiC-MOSFET mit Hilfe seiner intrinsischen Body-Diode Sperrstrom leiten. In manchen Bauelementen altert diese Diode im Lauf der Zeit, was zu einem erhöhten RDS(on) und mehr Verlustwärme als vorgesehen führt. Bild 3 zeigt die I-U-Kurven der Body-Diode und den Drain-Source-Widerstand (RDS(on)) des MOSFET im On-Zustand nach vielen Stunden konstanter Durchlassstrom-Belastung. Dabei ergaben sich große Unterschiede zwischen den verschiedenen Anbietern. Bei einem Anbieter zeigte sich eine deutliche Degradation, ein anderer wurde sogar unbrauchbar. Selektierte Bauteile sollten keine wahrnehmbare Veränderung aufweisen. Die Verwendung eines SiC-MOSFETs mit stabiler Body-Diode erhöht die Zuverlässigkeit und senkt die Kosten durch den Wegfall der antiparallelen Diode.

Überleben im Feldeinsatz: Kurzschluss und Durchbruch

Transport-APUs reagieren empfindlich auf verschiedenste Fehlerzustände und benötigen SiC-MOSFETs, deren Konstruktion ein sicheres Überleben solcher Ereignisse und eine gleichbleibende Leistung vor und nach Fehlern gewährleistet.

Kurzschlussfestigkeit bezeichnet die Fähigkeit des MOSFETs, einen kurzzeitigen Kurzschluss der Gleichstromverbindung über seine Drain-Source-Anschlüsse zu überstehen. Die MOS-Kanäle sind verstärkt, so dass ein korrekt ausgelegtes Bauelement die Spitzenströme sicher über die Die-Fläche des MOSFET verteilen kann. Bild 4 zeigt die Kurzschluss-Standzeiten (Short Circuit Withstand Times, SCWTs) für serienmäßige SiC-MOSFETs – je nach DC-Link-Spannung und angelegter VGS liegt das Beispiel von Microchip zwischen 3 und 14 µs. Dies ist ausreichend für viele kommerziell erhältlichen Gate-Treiber. Ein aktueller Treiber, wie der nachfolgend beschriebene, bietet zusätzliche Intelligenz für die Kurzschlusserkennung.

Durchbruchsfestigkeit stellt noch höhere Ansprüche: Der Laststrom fließt plötzlich in den MOSFET und erzwingt einen Anstieg der Drain-Source-Spannung bis zum Durchbruch. Anders als bei einem Kurzschluss werden die MOS-Kanäle nicht erweitert. Der Durchbruchsstrom fließt entlang der Kante des Dies und bringt den Baustein schnell an seine thermischen Grenzen.

Die Durchbruchsfestigkeit eines Bauteils lässt sich durch wiederholtes Schalten einer induktiven Last ohne Spannungsbegrenzung (R-UIS) ermitteln. Bild 5 zeigt den zeitabhängigen dielektrischen Durchbruch (Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB) für kommerzielle SiC-MOSFETs vor und nach 100.000 R-UIS-Zyklen. Viele Anbieter sichern die Oxid-Stabilität, aber die Fähigkeit, neben der Stabilität bei RDSon und Drain-Source-Leckage eine bis zu viermal höhere Belastbarkeit aufzuweisen, ist ein Beleg für die Fähigkeit der SiC-MOSFETs, auch die anspruchsvollsten elektrischen Überlastungsbedingungen sicher zu überstehen.

Schneller Schalten mit niederinduktivem Gehäuse

Bild 6: Grafische Benutzeroberfläche für den programmierbaren AgileSwitch-Gate-Treiber und Ausschalt-Wellenformen mit konventionellem Schalten (links) und Augmented Switching (rechts).

Bild 6: Grafische Benutzeroberfläche für den programmierbaren AgileSwitch-Gate-Treiber und Ausschalt-Wellenformen mit konventionellem Schalten (links) und Augmented Switching (rechts). Microchip

Bild 7: Verringerung von Spitzenspannung und -Strom bei einem Kurzschlussereignis: Augmented Switching (rechts) – herkömmlicher Schaltvorgang (links).

Bild 7: Verringerung von Spitzenspannung und -Strom bei einem Kurzschlussereignis: Augmented Switching (rechts) – herkömmlicher Schaltvorgang (links). Microchip

Problematische Induktivitäten in einem Stromversorgungssystem können im Zusammenspiel mit hohen Flankensteilheiten höhere Schaltverluste, exzessive Überschwingspannungen, nicht-konforme EMI und potenziell den Ausfall der APU verursachen. Angesichts der vorbeugenden Maßnahmen, die Entwickler zur Drosselung der MOSFET-Geschwindigkeit ergreifen müssen, stellt sich die Frage, welchen Nutzwert SiC-Bauelemente dann noch bieten.

Das induktionsarme SP6LI-Gehäuse von Microchip zeigt, wie sich diese Probleme lösen lassen. Ein Gehäuseformat in Phase-Leg-Konfiguration trägt eine parasitäre Induktivität von weniger als 3 nH zur Stromschleife bei. Layout-Optimierungen im Inneren gewährleisten identisches Timing und Stromaufteilung. Die thermische Leistung lässt sich durch den Einsatz von Siliziumnitrid-Keramik (auf Wunsch auch Aluminiumnitrid) verbessern; als Basisplatten-Material sind Kupfer und AlSiC erhältlich. Außen ermöglichen die Power-Terminals eine niederinduktive Verbindung zum DC-Zwischenkreis und eine optimale Parallelschaltung in zwei Ausrichtungen. So kann der Designer mit dem SP6LI die SiC-MOSFETs bei höheren Geschwindigkeiten mit maximalem Wirkungsgrad und reduzierter EMI ansteuern, was den Platzbedarf der APUs verringert und gleichzeitig EMI-bedingte Ausfälle ausschließt.

Gate-Treiber halten APUs auf Kurs

Leistung und Zuverlässigkeit von APUs lassen sich auch mit digital programmierbaren Gate-Treibern optimieren, die eine Feinjustierung der Überschwingspannung und der Schaltverluste im laufenden Betrieb ermöglichen. So können die APU-Designer die Kosten und die Größe der APU durch Bauteile mit niedrigeren Spannungen und kleineren Kühlkörpern verringern – stundenlanges Arbeiten mit Lötkolben und einer Masse an Gate-Widerständen entfällt.

Bild 6 zeigt den Effekt des Augmented Switching. Im Gegensatz zum konventionellen Abschalten (links) beginnt der Augmented-Abschaltvorgang mit einer On-Stage-Spannung von 20 V, bleibt für eine bestimmte Verweilzeit auf einen anwenderprogrammierten Zwischenpegel und wechselt schließlich in den Off-Zustand von -5 V. Aufgrund der sehr niedrigen Induktivität des SP6LI halten sich die Effekte in Grenzen. Des Weiteren werden Kurzschlussereignisse schnell abgefangen, wodurch sich die Spitzenspannung und -Strom um 60 Prozent bzw. 10 Prozent verringern (Bild 7).

SiC-Gesamtsystemlösung

Für eine beschleunigte Entwicklung von der Doppelimpuls-Evaluierung bis zur Serienproduktion benötigt der Entwickler Kits, die alle drei Teile zu einer SiC-Gesamtsystemlösung für Transport-APUs umfassen: robuste SiC-Leistungsbauteile, Power-Gehäuse mit niedriger Induktivität und intelligente Gate-Treiber. Bild 8 zeigt, wie sich die Lösung von Microchip in einer APU-Schaltung implementieren lässt.

Kevin Speer

Senior Manager, SiC Power Solutions bei Microchip

Nitesh Satheesh

Engineer und Business Development bei Microchip

Marc Rommerswinkel

Principial Client Engagement Manager bei Microchip

(na)

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