SiC ermöglicht nächste Generation von Halbleiter-Leistungsschaltern

Elektrische Übertragungs- und Verteilungssysteme und empfindliche Geräte benötigen Schutz vor längerer Überlast und vorübergehenden Kurzschlüssen. Da elektrische Systeme und Elektrofahrzeuge mit immer höheren Spannungen arbeiten, sind die maximal möglichen Fehlerströme höher als je zuvor. Der Schutz vor diesen hohen Fehlerströmen erfordert sehr schnelle AC- und DC-Schutzschalter.

Während mechanische Leistungsschalter bisher die beliebteste Wahl für diese Anwendung waren, haben immer anspruchsvollere Betriebsanforderungen dazu geführt, dass Leistungsschalter auf Halbleiterbasis immer beliebter werden. Sie werden als Halbleiter-Schutzschalter/SSCB bezeichnet und haben gegenüber mechanischen Lösungen mehrere Vorteile.

Vorteile von Halbleiter-Schutzschaltern

Ein Vorteil von Halbleiter-Schutzschaltern ist, dass sie robust und zuverlässig sind. Mechanische Leistungsschalter enthalten bewegliche Teile, die sie anfällig machen. Sie können daher leicht brechen oder durch Bewegungen versehentlich ausgelöst werden und im Laufe ihrer Lebensdauer bei jedem Zurücksetzen einem Verschleiß unterliegen. Da SSCBs dagegen keine beweglichen Teile enthalten, sind sie robuster und viel weniger anfällig für versehentliche Beschädigungen, so dass sie über Tausende von Zyklen hinweg eingesetzt werden können.

Des Weiteren sind sie temperaturflexibel: Die Betriebstemperatur mechanischer Leistungsschalter hängt von dem in ihrem Aufbau verwendeten Material ab und begrenzt die Betriebstemperatur. Die Betriebstemperatur von SSCBs ist höher als bei mechanischen Schutzschaltern und lässt sich zudem einstellen.

Anders als bei mechanischen Leistungsschaltern ist bei SSCBs die Konfiguration aus der Ferne möglich. Löst ein mechanischer Leistungsschalter aus, muss eine Person ihn manuell zurücksetzen, was zeitaufwändig und kostspielig sein kann – vor allem, wenn es sich um mehrere Installationen handelt. Hinzu kommen Sicherheitsrisiken. SSCBs lassen sich über eine drahtgebundene oder funkbasierte Verbindung aus der Ferne zurücksetzen.

Außerdem ist mit Halbleiter-Schutzschaltern ein schnelleres Schalten möglich und es treten keine Lichtbögen auf. Beim Schalten eines mechanischen Leistungsschalters kann es hingegen zu Lichtbögen und Spannungsschwankungen kommen, die groß genug sind, um die Last zu beschädigen. Die Auswirkungen dieser induktiven Spannungsspitzen und kapazitiven Einschaltströme können durch Soft-Start-Methoden in SSCBs verhindert werden, die beim Auftreten eines Fehlers viel schneller schalten – in der Größenordnung von wenigen Mikrosekunden.

Bei SSCBs ist der Nennstrom flexibel. Mechanische Leistungsschalter haben einen festen Nennstrom, während sich der Nennstrom für SSCB einstellen lässt.

Ein weiterer Vorteil sind die geringere Größe und geringere Wartungs-Kosten der SSCBs. Im Vergleich zu mechanischen Leistungsschaltern sind sie deutlich leichter und benötigen weniger Platz.

Einschränkungen bestehender SSCBs

SSCBs bieten Vorteile gegenüber mechanischen Lastschaltern, weisen aber auch einige Nachteile auf, zum Beispiel begrenzte Spannungs- beziehungsweise Stromwerte, höhere Leitungsverluste und höhere Kosten. SSCBs basieren auf TRIACs (Silizium-Gleichrichter) für AC-Anwendungen oder standardmäßigen planaren MOSFETs für DC-Systeme. Die TRIACs oder MOSFETs übernehmen die Schaltfunktion, während optisch isolierte Treiber als Steuerelement fungieren. Hochstrom-SSCBs auf MOSFET-Basis benötigen jedoch bei hohen Ausgangsströmen Kühlkörper, so dass sie nicht die gleiche Leistungsdichte wie mechanische Leistungsschalter erreichen können.

Kühlkörper sind auch für SSCBs erforderlich, die mit Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) arbeiten, bei denen die Sättigungsspannung bei Strömen von mehr als ein paar Dutzend Ampere einen übermäßigen Leistungsverlust verursacht. Bei 500 A würde ein Spannungsabfall von 2 V über einem IGBT an die 1000 W Leistung abführen. Dafür würde ein MOSFET einen Einschaltwiderstand von etwa 4 mΩ benötigen. Dieses Widerstandsniveau ist derzeit mit einzelnen Bauelementen nicht zu erreichen, da die Spannungswerte in Elektrofahrzeugen inzwischen 800 V (und mehr) erreichen. Zwar könnte dieser Wert theoretisch durch Parallelschaltung von Bauelementen erzielt werden – ein solcher Ansatz würde jedoch die Größe und Kosten der Lösung erheblich erhöhen, vor allem, wenn ein bidirektionaler Stromfluss berücksichtigt werden muss.

SiC-Leistungsmodule für kommende SSCBs

Ein SiC-Chip kann bei gleicher Nennspannung und gleichem Durchlasswiderstand bis zu zehnmal kleiner sein als sein Siliziumäquivalent. Außerdem können SiC-Bauteile mindestens 100-mal schneller schalten und bei Spitzentemperaturen arbeiten, die mehr als doppelt so hoch sind wie bei Silizium. Gleichzeitig ist das Material aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit auch bei hohen Temperaturen robuster. Onsemi demonstriert diese Eigenschaften in ihren Elite-SiC-Leistungsmodulen mit Durchlasswiderständen von 1,7 mΩ für 1200-V-Bauelemente. Die Module integrieren zwischen zwei und sechs SiC-MOSFETs in einem Gehäuse.

Die Sinter-Die-Technologie, bei der zwei einzelne Chips in einem Gehäuse zusammengefügt werden, sorgt für ein zuverlässiges Produkt auch bei hohen Leistungspegeln. Das schnelle Schaltverhalten und die hohe Wärmeleitfähigkeit dieses Bauelements ermöglichen ein schnelles und sicheres Abschalten einer Endanwendung im Falle eines Fehlers, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird, bis die normalen Betriebsbedingungen wiederhergestellt sind. Module wie dieses zeigen, dass es zunehmend möglich ist, mehrere SiC-MOSFETs in ein einziges Gehäuse zu integrieren, um die für praktische Leistungsschalter erforderlichen niedrigen Durchlasswiderstände und kleinen Formfaktoren zu erreichen. Darüber hinaus bietet Onsemi Elite-SiC-MOSFETs und Leistungsmodule an, die Spannungen von 650 bis 1700 V standhalten. Damit eignen sie sich auch für SSCB in 1- und 3-phasigen Haushalts-, Gewerbe- und Industrieanwendungen. Eine vertikal integrierte SiC-Lieferkette soll SSCB-Herstellern Produkte mit nahezu Null-Fehler-Qualität bieten, die umfangreichen Tests bezüglich ihrer Zuverlässig unterzogen werden.

Bild 2 beschreibt einen SSCB in einem Modul mit mehreren 1200-V-SiC-Chips und parallelen Schaltern in einer Back-to-Back-Konfiguration, um niedrige Durchlasswiderstandswerte und optimale Wärmeableitung zu erzielen.

Vollintegrierte Module mit verbesserter Pin-Position und optimiertem Layout tragen dazu bei, Parasiten zu reduzieren und die Schaltleistung sowie Fehlerreaktionszeiten zu verbessern.

Der Halbleiterhersteller bietet zahlreiche SiC-Module mit 650, 1200 und 1700 V Nennspannung mit oder ohne Baseplate an – je nach den Anforderungen der Endanwendung und dem Bedarf an Effizienz.

Gemeinsame Entwicklung von SiC und SSCB

Mechanische Leistungsschalter haben geringe Verluste und eine höhere Leistungsdichte und sind derzeit preiswerter als SSCBs. Sie sind jedoch anfällig für Verschleiß durch wiederholten Gebrauch und erfordern eine kostspielige manuelle Wartung, die mit dem Zurücksetzen oder dem Austausch verbunden ist. Die Nachfrage nach Leistungsschaltern und SiC-Bauelementen wird mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen weiter steigen, was diese Technologie mit ihrem breiten Bandabstand (WBG; Wide Band-Gap) zunehmend wettbewerbsfähig macht und ihre Attraktivität für den Einsatz in SSCB-Lösungen erhöht. In dem Maße, in dem die SiC-Prozesstechnologie Fortschritte macht und der Widerstand von SiC-MOSFETs weiter sinkt, bis er schließlich vergleichbare Werte wie bei mechanischen Leistungsschaltern erreicht, werden Leistungsverluste immer weniger ein Thema sein. Mit den Vorteilen des schnellen Schaltens, keiner Lichtbogenbildung und der erheblichen Kosteneinsparungen durch Wartungsfreiheit werden sich SSCBs aus SiC-basierten Bauelementen unweigerlich durchsetzen. (bs)