Vergleich: IGBT- und SiC-MOSFET-PIMs in Solarwechselrichtern

Die IEA (Internationale Energieagentur) prognostiziert in ihrer Solar PV Analysis, dass Solarstrom-/Fotovoltaik-Anlagen (PV) bis 2030 eine installierte Kapazität von 3300 TWh erreichen werden, was einem jährlichen Wachstum von 15 Prozent gegenüber 2019 entspricht und einen steigenden Anteil an der Energieversorgung darstellt. Die Installationen werden eine Mischung aus Mikro-, Mini- und Stromversorger-Anlagen sein, aber in allen Fällen kommt eine ähnliche PV-Technik zum Einsatz. Für hohe Spannungen sind die Solarzellen dabei in Reihe geschaltet, und für höhere Ströme/Leistung parallel geschaltet. Ein Trend besteht darin, die Spannungen über die Modulstränge zu erhöhen, um den Vorteil eines proportional niedrigeren Stroms zu nutzen, damit geringere Leistungsverluste an den Anschlüssen und in der Verkabelung entstehen. Typische Nennspannungen der Module liegen bei etwa 500 bis 1000 V, in Zukunft auch immer häufiger auch 1500 V.

An Stelle eines einzelnen zentralen Wechselrichters verfügt jeder Strang meist über einen eigenen Wechselrichter mit relativ geringer Leistung, um so Skalierbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Fehlertoleranz zu gewährleisten. Innerhalb dieser Wandler wird die PV-Spannung auf einen geregelten Gleichspannungspegel angehoben, der für den Eingang in einen DC/AC-Wandler geeignet ist. Ein MPPT-Regler (Maximum Power Point Tracking) optimiert dabei die Last des Solarpanels für eine optimale Energienutzung. Der DC/DC-Aufwärtswandler und der Wechselrichter sind hocheffiziente Schaltkreise, und die darin verwendeten Halbleiterbausteine können auf verschiedenen Technologien basieren.

IGBTs haben bisher die Hochleistungs-DC/DC- und AC/DC-Wandlung dominiert, aber jetzt sind WBG-Halbleiter (Wide-Bandgap, mit großem Bandabstand) erhältlich. Ein gutes Beispiel hierfür sind SiC-MOSFETs, deren Nennleistung höher ist und in den zweistelligen kW-Bereich reicht, bei Parallelschaltung sogar noch höher. Beide Technologien sind nicht nur als Einzelbausteine in gängigen Gehäusen wie TO-247 erhältlich, sondern auch als PIMs (Power Integrated Modules, integrierte Leistungsmodule). Ein PIM integriert mehrere Schalter, manchmal mit Dioden und sogar Treibern und Schutzschaltungen in einem branchenüblichen Gehäuse. Damit lassen sich komplette Leistungsstufen für Wandler- und Wechselrichterfunktionen in einem Gehäuse bereitstellen.

Unterschiede zwischen IGBTs und SiC-MOSFETs

IGBTs und SiC-MOSFETs unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht deutlich: IGBTs sind aufgrund ihrer dynamischen Verluste auf niedrige Frequenzen beschränkt, geben aber im leitenden Zustand eine konstante Sättigungsspannung ab, was zu einer Verlustleistung führt, die proportional zum Strom ist. SiC-MOSFETs hingegen können bei Hunderten von kHz mit geringen dynamischen Verlusten schalten, weisen jedoch im leitenden Zustand einen konstanten Widerstand auf. Dieser führt zu einer Verlustleistung, die proportional zum Quadrat des Stroms ist, was mit zunehmendem Leistungsdurchsatz eindeutig ein Nachteil ist. Bild 1 zeigt den Spannungsabfall proportional zum Leitungsverlust eines mit 50 a spezifizierten IGBT-PIMs sowie eines SiC-PIMs mit einem Nennstrom von 38 A. Der Übergangspunkt für den besten Wirkungsgrad liegt bei etwa 25 A – bei ansonsten ähnlichen Bedingungen. Die Diagramme gelten für eine übliche Sperrschichttemperatur von 125 °C.

Dynamische Verluste sind frequenzabhängig. Vergleicht man die IGBTs und SiC-MOSFETs aus Bild 1 im Bereich 20 bis 30 A beim Schalten mit der gleichen niedrigen Frequenz (z. B. 16 kHz), dann sind die Leitungsverluste ähnlich, aber die dynamischen Verluste sehr unterschiedlich. Bild 2 zeigt zwei Quellen für Schaltverluste: die Einschalt- und Ausschaltenergie _Eon bzw. E_off. Auch hier gibt es einen Übergangspunkt, aber _Eon ist ähnlich, wobei beide Bauelemente bei etwa einem Viertel der Leitungsverluste liegen, was etwas schlechter für IGBTs ist, aber trotzdem kein großer absoluter Wert. E_off ist bei IGBTs jedoch aufgrund des Schwanzstroms viel höher. Der Grund hierfür sind Minoritätsträger, die beim Ausschalten aus dem n-Drift-Bereich des Bauelements abgezogen werden müssen, allerdings bei steigender Kollektorspannung vorhanden sind und so eine transiente Verlustleistung erzeugen. Bild 2 zeigt einen etwa zehnfachen Unterschied für E_off zwischen den verschiedenen Bauelementen.

Tabelle 1 fasst die Unterschiede eines PV-Aufwärtswandlers zusammen, der am  Eingang mit 500 V/25 A und am Gleichspannungs-Ausgang mit 800 V zur Verfügung stellt, wobei die Gehäusetemperatur 95 °C und die Frequenz 16 kHz beträgt. Beim Einsatz von SiC-Halbleitern ergibt sich eine deutliche Gesamt-Stromeinsparung, so dass der Gesamtverlust etwa einem Drittel der IGBT-Schaltung entspricht – und das bei einer niedrigeren Sperrschichttemperatur, die eine höhere Zuverlässigkeit zur Folge hat.

Neben der Energieeinsparung führt der bessere Wirkungsgrad von SiC zu einem kleineren und kostengünstigeren Kühlkörper, einem geringeren Temperaturanstieg bei gleichem Kühlkörper oder alternativ zu einem höheren Leistungsdurchsatz bei gleichem Kühlkörper und Temperaturanstieg. Dies ist alles von Vorteil, aber es lohnt sich, auch die Hochfrequenzfähigkeit von SiC zu untersuchen. Vergleicht man SiC-MOSFETs bei 40 kHz mit IGBTs bei 16 kHz, erhält man die Werte in Tabelle 2.

SiC-Bauelemente arbeiten auch bei einer höheren Sperrschichttemperatur, aber als WBG-Bauteile sind sie ohnehin für einen um 25 °C höheren Betrieb als Silizium-Halbleiter ausgelegt. Die Ergebnisse der SiC-MOSFETs zeigen immer noch einen deutlich höheren Wirkungsgrad als IGBTs; trotz geringeren Systemabmessungen ergibt sich ein Effizienzgewinn von über 50 Prozent.  Die Erhöhung der Frequenz ermöglicht aber auch eine etwa den Faktor drei kleinere Boost-Induktivität; das spart Kosten, Größe und Gewicht. Auch die EMI-Filterung bei der Grundfrequenz und bei niedrigen Oberwellen kann dann kleiner ausfallen. SiC-MOSFETs weisen jedoch sehr schnelle Flankenraten auf, so dass eine HF-Filterung erforderlich ist, um die Emissionsstandards zu erfüllen.

 Die Body-Diode ist in SiC-MOSFETs schon integriert

Die Verluste sind nicht die einzigen Unterschiede zwischen IGBTs und SiC-MOSFETs. In MOSFETs findet sich eine Body-Diode, die in IGBTs fehlt. Dies kann in Leistungswandlern von Vorteil sein, deren Schalter im Sperrbetrieb oder im dritten Quadranten arbeitet. Hierfür kann die im SiC-MOSFET enthaltene Body-Diode zum Einsatz kommen. Allerdings ist deren Durchlassspannungsabfall relativ hoch. Bei IGBTs wäre jedoch in diesem Fall eine zusätzliche parallele Diode erforderlich.

Damit lässt sich ein Gleichgewicht finden, bei dem die Vorteile durch SiC bei höherer Frequenz erheblich sind und den höheren Stückpreis eines SiC-PIMs bei weitem aufwiegen. Da der Einschaltwiderstand von SiC-MOSFETs mit der Einführung neuer Bauteilgenerationen abnimmt, überwiegen deren Vorteile bei höheren Leistungsniveaus in immer mehr Anwendungen.

Die Gate-Ansteuerung für IGBTs und SiC-MOSFETs mag ähnlich erscheinen, aber die Ansteuerung für SiC ist für niedrige Leitungsverluste kritischer und muss so nah wie möglich am absoluten Maximum von 25 V liegen. Aus diesem Grund nutzen Entwickler oft eine Spannung von 20 V, was einen gewissen Sicherheitsspielraum ergibt. Beide Bauelementtypen sind mit 0-V-Gate-Ansteuerung ausgeschaltet, werden aber beide oft mit einer negativen Spannung von einigen Volt angesteuert. Dies führt zu einem kleineren Eoff, weniger Gate-Source-Ringing beim Ausschalten und hilft, ein Phantom-Einschalten zu verhindern, das durch Spitzen einer Source- oder Emitter-Induktivität entstehen kann, die im Gate-Treiberkreis vorhanden ist.

Auch jegliche Miller-Kapazität des Bauelements kann dazu führen, dass Bauelemente mit hohen Drain- oder Kollektorspannungsflanken (dV/dt) fälschlicherweise einschalten. Auch hier vermeidet die negative Gate-Ansteuerung Probleme. Bild 3 veranschaulicht die Auswirkungen.

SiC-MOSFETs haben viel höhere du/dt- und di/dt-Werte als IGBTs. In der Praxis muss daher das Hf-Layout sorgfältig entkoppelt werden, um einen unzuverlässigen Betrieb und übermäßige EMI zu vermeiden. Hierzu sollten die Treiber sich ganz in der Nähe des SiC-MOSFET-PIMs befinden, und jede verfügbare Kelvin-Verbindung zur MOSFET-Source sollte als Treiber-Rückleitung verwendet werden, um eine gemeinsame Induktivität zu vermeiden.

Eine genaue Messung der dynamischen Leistung von SiC-MOSFET-PIMs kann sich auf Grund der schnellen Flankenraten als schwierig erweisen. Daher sollte das Mess-Equipment eine Bandbreite von 300 MHz aufweisen. Spannungs-Tastköpfe sollten mit einer minimalen Masseschleife angeschlossen und der Strom mit Hochleistungssensoren wie Rogowski-Spulen überwacht werden.

(bearbeitet auf Basis von Unterlagen von On Semi)