3 Wafer in den Farben Rot, Gelb und Grün

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Trotz der unbestreitbar hohen Leistungsfähigkeit der SiC-Technologie setzen manche Entwickler bei neuen Projekten nach wie vor nur zögerlich auf SiC. Dadurch verspielen sie wichtige Freiheitsgrade, die auf Seiten der Endprodukte deutliche Vorteile versprechen.

Niemand geht gerne Risiken ein, und deshalb gilt allzu oft der Spruch „Never change a running System“. Das ist zumeist auch gut so, und niemand will dem widersprechen, solange diese Maxime keine Technologiesprünge verhindert, die deutliche Vorteile versprechen. Bei der MOSFET-Technologie stehen Entwickler nun vor dieser Situation, denn durch die Verfügbarkeit der SiC-Technologie (SiC: Siliziumkarbid) ist ein enormes Potenzial entstanden, das es zu nutzen gilt. Wenn die Designer von MOSFET-Schaltungen erst einmal das gesamte Potenzial dieser neuen Technologie erfasst haben, dann werden sie die Chancen und die neuen Designfreiheiten, die SiC ihnen bietet, zu schätzen wissen; die Chancen sind nämlich deutlich größer als jegliches vermeintliche Risiko, das bei einem Abschied von der Si-IGBT- oder Si-MOSFET-Technologie besteht. Überzeugend sind dabei vor allem vereinfachte Schaltungstopologien, kleinere Footprints und dadurch auch kleinere Systeme mit deutlich höherer Energiedichte.

SiC-MOSFETs bieten nicht nur größere Freiheitsgrade beim Design. Auch handfeste ökonomische Gründe sprechen für den Einsatz von Produkten mit SiC-MOSFETs, weil sie erhebliche Betriebskosteneinsparungen ermöglichen. Der Grund dafür liegt in den im Vergleich zu Si-IGBTs oder Si-MOSFETs deutlich geringeren Energieverluste. Mit ihrem höheren Wirkungsgrad ermöglichen SiC-Halbleiter eine höhere Leistungsdichte, weil sie weniger Verlustwärme abgeben. Schon dies sind bereits unbestreitbare Vorteile, die Entwickler ermutigen sollten, die Vorteile der SiC-Technologie zu nutzen.

Vorteile von SiC gegenüber Si

Es gibt viele gute Gründe, die für den Einsatz SIC-basierter Designs sprechen, denn die kleinere Systemgröße sowie das schnellere Ein- und Ausschaltverhalten bei höherem Frequenzbetrieb bieten viel Entwicklungsspielraum für innovative Designs. Auch die Möglichkeit, SiC bei höheren Spannungen zu betreiben, eröffnet neue Freiheitsgrade. Der 50 Prozent geringere Energieverlust ist zudem nicht nur für das Wärmemanagement eines Systems von Bedeutung, sondern auch für den energieeffizienten Betrieb entscheidend – und dieser wird Jahr für Jahr immer wichtiger.

Allerdings sind SiC-basierte MOSFETs teurer als reine Silizium-MOSFETs, wodurch sie sich auf den ersten Blick nicht unbedingt für besonders preissensitive Produkte eignen. Wenn Entwickler jedoch langfristig wettbewerbsfähig bleiben wollen und für ihre Kunden die langfristigen System- und Lebenskosten und damit die OPEX senken wollen, dann wenden sie sich zunehmend der SiC-Technologie zu. Auch der Bedarf, den CO2 Ausstoß drastisch reduzieren zu müssen, wird in den nächsten Jahren den Trend hin zu SiC verstärken. Vor allem auf Grund der gestiegenen Design-Freiheiten setzen Entwickler von DC/DC- und Wechselrichtern zunehmend auf SiC-Technologie – und das veranschaulichen die folgenden drei realen Beispiele:

Einfachere, effizientere Topologien

SiC ermöglicht einfachere Topologien und gibt den Entwicklern die Freiheit, die Aufgabe effektiver zu erledigen. So kann man beim Einsatz von SiC von einer Dreistufen-Topologie auf eine Zweistufen-Topologie wechseln und damit für einfachere Steuerungsparameter, geringeren Platzbedarf und geringere Wärmeabstrahlung sorgen. In PFC-Stufen (Power Factor Correction) ermöglicht SiC bei harten Schalttopologien, einfachen Boost- (mit SiC-Dioden) und Totempole-Konfigurationen zudem einen geringen Rückspeiseverlust. Um einen vergleichbaren Wirkungsgrad mit Si-MOSFETs zu erreichen, wären deutlich komplexere Topologien sowie eine digitale Ansteuerung erforderlich. SiC lässt sich zudem mit Si in Multilevel-Topologien kombinieren, um das Preis-Leistungs-Verhältnis zu optimieren – ein weiterer Freiheitsgrad. Bild 1 zeigt ein solches Beispiel für eine modifizierte dreistufige ANPC-Topologie (Active Neutral Point Clamped), die in Solar- oder Energiespeicher-Wechselrichtern zum Einsatz kommt.

ANPC-Topologie
Bild 1: In einer modifizierten dreistufigen ANPC-Topologie (Active Neutral Point Clamped), die in Solar- oder Energiespeicher-Wechselrichtern zum Einsatz kommt, ermöglicht eine Kombination aus Si- und SiC-Halbleitern eine Optimierung des Preis-Leistungs-Verhältnisses. (Quelle: Infineon/EBV)

Dank SiC: Kleinere Systeme, smartere Lösungen

SiC-Designs sind kleiner, wiegen weniger und ermöglichen effizientere Wechselrichter und Speichersysteme. Ein gutes Beispiel dafür sind Servoantriebe, die zur Positionierung von Objekten kurze Reaktionszeiten benötigen, um Bewegungsabläufe zu beschleunigen. Bei der Ansteuerung verbessern höhere PWM-Frequenzen die Dynamik von Servosystemen, und dafür sind entweder schnelle IGBTs oder SiCs als Schalter in der Wechselrichterstufe des Servoantriebs erforderlich. SiC-Systeme sind hier kleiner und erfordern oftmals keine aktive Kühlung, so dass die Antriebssteuerung oft direkt auf den Motor montierbar ist. Das wiederum ist auch in punkto EMV von Vorteil, weil der DC-Bus extrem kurz ausfällt.

Auch Systeme mit bidirektionalem Stromfluss profitieren von der höheren Leistungsdichte der SiC-Topologien, was bei Solar-Wechselrichtern sehr deutlich zu Tage tritt (Bild 2). (av)

Die Erhöhung der Leistungsdichte durch SiC gegenüber Si ist klar zu sehen
Bild 2: Durch den Wechsel von reiner Silizium-Technologie auf eine Si/SiC-Kombination konnte SMA Solar die Leistung bei gleichem Footprint von 75 kW auf 150 kW verdoppeln. (Quelle: SMA Solar/EBV)

Vorteile von SiC gegenüber Si

Es gibt viele gute Gründe, die für den Einsatz SIC-basierter Designs sprechen, denn die kleinere Systemgröße sowie das schnellere Ein- und Ausschaltverhalten bei höherem Frequenzbetrieb bieten viel Entwicklungsspielraum für innovative Designs. Auch die Möglichkeit, SiC bei höheren Spannungen zu betreiben, eröffnet neue Freiheitsgrade. Der 50 % geringere Energieverlust ist zudem nicht nur für das Wärmemanagement eines Systems von Bedeutung, sondern auch für den energieeffizienten Betrieb entscheidend – und dieser wird Jahr für Jahr immer wichtiger.

Autor

Milan Ivkovic, Director Segment Analog/Power & Technical Support Center Manager bei EBV Elektronik

Milan Ivkovic ist Director Segment Analog/Power & Technical Support Center Manager bei EBV Elektronik (Quelle: EBV)

Autor

Karl Lehnhoff, Director Segment Industrial EBV Elektronik

Karl Lehnhoff ist Director Segment Industrial bei EBV Elektronik (Quelle: EBV)

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