Bild 1: Der verschachtelte 60-kW-Aufwärtswandler von Wolfspeed mit 4 Treiber-Boards arbeitet mit einem SiC-MOSFET (1200 V, 75 mΩ). (Bild: Wolfspeed)
Während der Entwicklungsphase eines Solarwechselrichters arbeiten die Ingenieure daran, die höchstmögliche Leistungsdichte durch eine geringere Systemgröße, geringeres Gewicht und höhere Effizienz auch bei hohen Spannungen zu erhalten. Diese Vorteile sind einfach zu erreichen, wenn SiC-Halbleiter zum Einsatz kommen, die im Vergleich zu Bauteilen aus Silizium (Si) überlegene Materialeigenschaften aufweisen. Wolfspeeds Referenzdesign für einen verschachtelten 60-kW-Aufwärtswandler mit einem SiC-MOSFET (1200 V, 75 mΩ) der dritten Generation der E-Series ist ein gutes Beispiel dafür, wie SiC die Erstellung eines Systems ermöglicht, das kleiner und leichter ist, geringere Systemgesamtkosten aufweist und über eine Effizienz von 99,5 % verfügt (Bilder 1 und 2).
Bild 1: Der verschachtelte 60-kW-Aufwärtswandler von Wolfspeed mit 4 Treiber-Boards arbeitet mit einem SiC-MOSFET (1200 V, 75 mΩ). Wolfspeed
Bild 2: Mit den SiC-MOSFETs der E-Series ist die Erstellung eines Systems möglich, das kleiner und leichter ist und über eine Effizienz von 99,5 % verfügt (Abmessungen in Zoll). Wolfspeed
Aufgrund dieser Vorteile wollten Ingenieure schon früher SiC-MOSFETs und -Dioden in Anwendungen nutzen, die sich für den Außeneinsatz eignen, insbesondere in feuchten Umgebungen. Allerdings gab es keinen Industriestandard für Prüfungen mit hoher Feuchtigkeit, weshalb die Entwicklung einer neuen Prüfmethode für Außenanwendungen erforderlich war.
TBH-80: ein neuer Test zur Feuchtigkeitseignung
Der Standard-Jedec-Eignungstest für Industriemodule war traditionell der High Humidity, High Temperature Reverse Bias (H3TRB), auch bekannt als Temperature and Humidity Bias (THB). Dieser Test wird in einer Klimakammer ausgeführt, bei 85 % relativer Luftfeuchtigkeit und 85 °C. Die zu prüfenden Geräte werden mit 100 V Vorspannung für 1000 Stunden in diese Kammer gestellt. Zum Bestehen des Tests müssen alle geprüften Geräte innerhalb der Datenblattspezifikationen bleiben, bei einem Minimum an parametrischer Verschiebung (20 % für Spannungsmessungen und das 10-fache des Ausgangswerts für Leckstrommessungen).
Bild 3: Die Kombination von Hochspannung und Feuchtigkeit kann zur elektrochemischen Migration oder erweiterten Korrosion führen, was beides einen Rückgang der Leistung des Systems verursachen kann. Wolfspeed
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der THB-Test nicht sehr effektiv ist für die Vorhersage erfolgreicher Außenanwendungen, wie zum Beispiel bei Photovoltaik-Wechselrichtern oder Elektrofahrzeugen. Diese Geräte sind in den Anwendungen bei realer Nutzung Spannungen von deutlich mehr als 100 V ausgesetzt. Die Kombination von Hochspannung und Feuchtigkeit kann mit der Zeit eine Verringerung der Leistung verursachen. Wie aus Bild 3 hervorgeht, kann diese Kombination zur elektrochemischen Migration oder erweiterten Korrosion führen, was beides zu einem Rückgang der Leistung und Gesamtfunktionalität führt.
Also entwickelte die Gemeinschaft der Leistungselektronik-Hersteller einen neuen Feuchtigkeitstest für Hochspannung und Dauerprüfbedingungen unter hoher Luftfeuchtigkeit, den High Voltage H3TRB (HV-H3TRB). Für diesen Test wird die Vorspannung auf 80 % der Durchbruchspannung erhöht – daher auch die Testbezeichnung THB-80. In der Praxis bedeutet dies, dass der Test von Geräten mit einer Nennspannung von 1200 V, die zuvor mit lediglich 100 V getestet wurden, nun unter THB80-Bedingungen bei einer fast 10-mal höheren Spannung erfolgt. Diese 960 V Testspannung entspricht eher dem typischen Wert im Hochspannungseinsatz. Nach wie vor erfolgt die Dauerprüfung bei 85 % Luftfeuchte und 85 °C.
Wie sich der Weg von der Prüfmethode hin zum gewerblichen Produkt, also der E-Series von Wolfspeed, entwickelte, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.
Von der Prüfmethode zum gewerblichen Produkt
Die Entwicklung einer allgemein anerkannten Prüfmethode für die Leistung von SiC-Halbleitern in Anwendungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und unter Hochspannung war wesentlich für die kommerzielle Akzeptanz von SiC in Anwendungen im Außenbereich. Es bedurfte mehrerer Jahre Forschung und der 30-jährigen Erfahrung von Wolfspeed bei der Entwicklung von SiC-Halbleitern, um eine Baureihe für diesen Zweck aufbereiteter SiC-Dioden und MOSFETs herzustellen, die dann auch den THB-80-Test bestanden. Auch über den Solaranwendungsbereich hinaus haben diese Bauteile sehr gute Leistungen gezeigt, insbesondere für den Einsatz bei Elektrofahrzeugen.
Eck-Daten
Widrige Umgebungsbedingungen, vor allem Feuchtigkeit, stellen ein großes Problem für Entwickler von Solarwechselrichtern dar. Um die Systeme klein und effizient zu gestalten, bieten sich SiC-Bauelemente an. Jedoch existierte bis vor kurzem noch kein Testaufbau, der diese Bauelemente auch unter wirklich reellen Bedingungen auf ihre Langzeithaltbarkeit unter Einfluss hoher Temperaturen und Feuchtigkeit hin untersucht. Besonders um das Vertrauen der Branche darin zu stärken, dass SiC-Bauelemente durchaus für den Einsatz unter widrigen Umweltbedingungen geeignet sind, wurde der THB-80-Test entwickelt, bei dem die Vorspannung auf 80 % der Durchbruchspannung beim Test erhöht wird. Wolfspeed gibt einen Einblick in die Entwicklung des Testaufbaus und zeigt, wie die eigens für Solar- und E-Fahrzeug-Anwendungen entwickelte E-Series an MOSFETs und Dioden deren hohen Ansprüchen entsprechen kann.
Mit diesem Wissen gewappnet hat Wolfspeed ein ganzes Halbleitersortiment entworfen, das den gesamten Bereich der gewerblich genutzten Spannungsgrößen abdeckt. Die Familie dieser besonders resistenten SiC-MOSFETs und Dioden der Wolfspeed-E-Series ist die erste kommerziell erhältliche Baureihe von Leistungshalbleitern, die AEC-Q101-qualifiziert und PPAP-fähig sind und den THB-80 Test für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit bestehen. Die Bezeichnung „E-Series“ wurde gewählt, da das „E“ die verbesserten (englisch „enhanced“) Merkmale dieser Bauteile wiedergibt und die Fähigkeit, extremen Umgebungen standzuhalten. Der Hauptvorteil dieser Halbleiter besteht darin, dass sie ansonsten dieselben Systemeigenschaften der Wolfspeed-Vorgänger aufweisen, wodurch sich die Produkte der E-Series problemlos als Austauschbauteile für bestehende Systeme eignen.
Vertrauen in SiC stärken
Der natürliche Abschluss dieses mehrjährigen Projekts bestand darin, die Produkte der E-Series unter Verwendung des aggressiveren THB-80 Test zu prüfen. Dieser wurde schließlich zu dem Zwecke entwickelt, das Vertrauen der Branche darin zu bestärken, dass SiC-Halbleiter langlebig genug sind um eine konsistente Leistung in Hochspannungsanwendungen auch in hoher Luftfeuchtigkeit zu bieten. Schließlich könnten schon kleinere physikalische Beeinträchtigungen der Bauteile zu einer signifikanten Leistungsverringerung führen oder sogar zum vollständigen Ausfall des Bauteils.
Die Idee resistenter Bauteile ist sehr einfach: Die Leistung muss verlässlich stabil bleiben, auch beim Einsatz im Außenbereich. Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels sind die Produkte der E-Series die einzigen gewerblich verfügbaren SiC-Leistungshalbleiter, die die strengen AEC-Q101-Standards und PPAP-Anforderungen der Automobilindustrie einhalten und gleichzeitig den THB-80 Test für hohe Luftfeuchtigkeit bestehen. Diese Widerstandsfähigkeit, kombiniert mit der höheren Effizienz von SiC, ist ein Durchbruch für die Solartechnik, für die gesamte Branche erneuerbarer Energien, und natürlich auch im Automobilsektor und anderen Bereichen.
Guy Moxey
(na)
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Wolfspeed
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