Evolution der Leistungswandlung mit 1700-V-SiC-MOSFETs

Seit fast zwei Jahrzehnten haben sich SiC-Leistungsbauelemente mit Spannungen von 650 bis 1200 V auf dem Markt durchgesetzt. Sie eröffnen Entwicklern endlich bedeutende Fortschritte bei Technologien und Endgeräten – bei gleichzeitiger Verbesserung von Leistung, Zuverlässigkeit, Größe, Gewicht und sogar Kosten. Die jüngste Einführung einer 1700-V-SiC-Produktfamilie erweitert die zahllosen Vorteile von SiC in der Stromversorgungskette und ermöglicht einen Paradigmenwechsel bei der Stromumwandlung in neuen Endsegmenten, wie z. B. elektrifizierten Nutz- und Schwerlastfahrzeugen, Straßenbahnantrieben und Hilfsenergie, erneuerbaren Energien und Industrieantrieben. Der vorliegende Artikel befasst sich eingehend mit den Vorteilen von 1700-V-SiC MOSFETs gegenüber den etablierten Siliziumlösungen in einem breiten Leistungsbereich – von Watt bis Megawatt.

Welchen Grund kann es bei einem so niedrigen Leistungsniveau für einen 1700-V-Transistor geben? Es gibt zwar nur einen, aber der ist allgegenwärtig: Die Hilfsstromversorgung (AuxPS), die in jedem Leistungselektronik-System zu finden ist, ist für den Routinebetrieb von industriellen Motorantrieben, Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und Notstromversorgung, Solarwechselrichtern, Ladeinfrastrukturen und vielem mehr unerlässlich. Die AuxPS ist systemkritisch, da sie Gate-Treiber, Sensor- und Steuerschaltungen sowie Kühlgebläse mit Strom versorgt; folglich darf die AuxPS nicht ausfallen, und alle entsprechenden Risiken sollten minimiert werden.

Da diese isolierten Schaltnetzteile mit geringem Stromverbrauch weltweit in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen, müssen sie einen breit gefächerten Gleichstromeingang mit hohen Spannungen (300 bis 1000 V) akzeptieren und eine niedrige Ausgangsspannung (5 bis 48 V) liefern. Die vielleicht wirksamste Methode zur Fehlervermeidung ist ein vereinfachtes Schaltungsdesign. Bild 1 zeigt, dass das zuverlässigste Schaltungsdesign die Single-Switch-Flyback-Topologie ist (Bild 1, rechts). Sie zeichnet sich durch Einfachheit und eine geringere Bauteilanzahl aus – letzteres führt zu niedrigeren Gesamtkosten.

Die Einführung von 1700-V-SiC MOSFETs ist eine gute Lösung für das AuxPS. Durch die Kombination einer hohen Durchbruchspannung, eines geringeren spezifischen Einschaltwiderstands und einer hohen Schaltgeschwindigkeit eignen sich diese Bauelemente gut für die Single-Switch-Flyback-Topologie. Im Gegensatz dazu haben Lösungen auf Siliziumbasis entweder eine zu niedrige Nennspannung, was eine Architektur mit zwei Schaltstufen erforderlich macht (siehe Bild 1, links) und die Möglichkeit eines Ausfalls verdoppelt, oder sie haben eine ausreichende Nennspannung, aber eine schlechte Leistung, sind bei wenigen Anbietern erhältlich und teurer als SiC.

Abgesehen von höherer Zuverlässigkeit, einem einfacheren Steuerungskonzept, der geringeren Anzahl an Komponenten und den niedrigeren Kosten kann ein AuxPS mit 1700-V-SiC MOSFETs auch kleiner sein. Der flächennormierte On-State-Widerstand oder spezifische On-Widerstand (Ron,sp) von SiC-MOSFETs beträgt nur einen Bruchteil desjenigen von Silizium-MOSFETs. Folglich lassen sich für die kleineren Chips kleinere Gehäuse verwenden und die Leitungsverluste sind geringer, was letztlich zu kleineren (oder vollständig entfallenden) Kühlkörpern führen kann. Darüber hinaus weisen SiC-MOSFETs geringere Schaltverluste auf, was die Möglichkeit bietet, durch Erhöhung der Schaltfrequenz die Größe, das Gewicht und die Kosten von Transformatoren zu verringern.

Im höheren Leistungsbereich bieten 1700-V-SiC MOSFETs auch in Anwendungen von 10 bis 100 kW viele Vorteile gegenüber Silizium-MOSFETs und IGBTs. Beispiele hierfür sind String- und zentrale Solarwechselrichter, Hilfsstromaggregate (APUs) in Nutzfahrzeugen, Induktionsheizungen und Schweißmaschinen, Industrieantriebe, Windkraftanlagen und vieles mehr.

Mit steigender Verarbeitungsleistung nimmt auch der Einfluss der schnelleren und effizienteren Schaltvorgänge bei SiC zu. Gegenüber Silizium-IGBTs senken SiC-MOSFETs die Schaltverluste um durchschnittlich 80 Prozent, so dass Umrichter die Schaltfrequenz erhöhen und die Größe, das Gewicht und die Kosten von sperrigen, teuren Transformatoren verringern können. Auch wenn die Durchgangsverluste von SiC-MOSFETs und Silizium-IGBTs bei hohen Lasten ähnlich sind, arbeiten viele Anwendungen den größten Teil ihrer Lebensdauer unter so genannten Leichtlastbedingungen. Beispiele hierfür sind Solarwechselrichter, die an bewölkten Tagen oder im Schatten arbeiten, Windturbinenumrichter an windstillen Tagen oder Zugtüren (die von APUs geöffnet/geschlossen werden), die fast immer geschlossen sind. Unter solchen häufig vorkommenden Leichtlastbedingungen bieten SiC-MOSFETs neben geringeren Schaltverlusten auch kleinere Durchgangsverluste, was kompaktere Kühlkörper oder andere Wärmemanagementmaßnahmen erlaubt.

Was die Zuverlässigkeit betrifft, so bieten SiC-MOSFETs dem Entwickler die Möglichkeit, die Schaltungstopologie und das Steuerungskonzept zu vereinfachen und die Anzahl der Komponenten zu reduzieren, was natürlich zu geringeren Kosten führt. Wegen des höheren Leistungsbedarfs dieser Mittelspannungswandler kommt eine höhere Gleichstrom-Busspannung zum Einsatz – typischerweise zwischen 1000 und 1300 V. Bei der Auswahl von Siliziumtransistoren zum Einsatz bei diesen hohen Zwischenkreisspannungen müssen Entwickler aufgrund des benötigten Wirkungsgrads zwischen einigen komplexen dreistufigen Schaltungsarchitekturen wählen. Dazu gehören die in Bild 2 gezeigte Dioden-Neutralpunktschaltung (NPC), die aktive NPC-Schaltung oder die T-Schaltung. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Einsatz von 1700-V-SiC MOSFETs dem Entwickler, sich von diesen Einschränkungen zu lösen und zu der eleganteren Zweistufenschaltung zurückzukehren (siehe Bild 2, rechts), wodurch sich die Anzahl der Bauelemente halbiert und die Steuerung vereinfacht.

Nicht unerwähnt bleiben soll die Bedeutung des Power-Packaging und der richtigen Gate-Ansteuerung von SiC-MOSFETs. Da SiC hohe Leistungen bei sehr hohen Geschwindigkeiten schalten kann, ist darauf zu achten, Spannungsüberschwinger zu vermeiden und Rauschemissionen zu reduzieren. Mittelspannungswandler in diesen Anwendungen schalten häufig Hunderte von Ampere über einen 1000-1300-V-Bus in weniger als einer Mikrosekunde ab. Dies erfordert geringstmögliche Gehäuseinduktivität, intelligente und schnell reagierende Gate-Treiber und ein optimiertes Systemlayout.

In Kombination mit dem SP6LI-Power-Package von Microchip Technology und den digitalen Gate-Treibern der AgileSwitch-Familie erhält der Entwickler fertige Lösungen, die den maximalen Nutzen aus den 1700-V-SiC-MOSFETs ziehen, ohne sich mit den üblichen Problemen auseinandersetzen zu müssen.

Megawatt-Bereich

Im Bereich der Multi-Megawatt-Leistung zählen einfache Skalierbarkeit und minimale Wartung zu den wichtigsten Designkriterien. Dies erfordert den Einsatz modularer, auf einer Basiseinheit beruhender Lösungen. Bild 3 zeigt, wie die Modulzellen, die manchmal auch als leistungselektronische Bausteine oder Submodule bezeichnet werden, als kaskadierte H-Brücken-Wandler oder modulare Multi-Level-Wandler (MMCs) konfiguriert sind. Anwendungen im Megawattbereich sind u. a. Festkörpertransformatoren (Solid-State Transformers, SSTs), Mittelspannungs-Gleichstromverteilungssysteme, Antriebsaggregate (Traction Power Units, TPUs) in Nutz- und Schwerlastfahrzeugen, zentrale Solarwechselrichter und Offshore-Windkraftumrichter sowie Stromwandler-Systeme an Bord von Schiffen.

Traditionell kamen Silizium-IGBTs mit einer Spannung von 1200 bis 1700 V als Leistungshalbleiter in den Modulzellen zum Einsatz. Ähnlich wie bei den Anwendungen mit geringerer Leistung erweitert der Einsatz von 1700-V-SiC-MOSFETs auf der Ebene der Modulzellen deren Leistungskapazität und elektrische Leistung. Wie bereits erwähnt, zeichnen sich 1700-V-SiC MOSFETs durch wesentlich geringere Schaltverluste aus, was eine Erhöhung der Schaltfrequenz und eine deutliche Verringerung der Größe der einzelnen Modulzellen ermöglicht. Zudem sinkt mit der hohen Sperrspannung von 1700 V die Anzahl der für dieselbe DC-Link-Spannung erforderlichen Modulzellen, was letztlich die Systemzuverlässigkeit erhöht und die Kosten senkt. (na)