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).

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)..

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.

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.

Seite 1 von 212