Xuning Zhang und Kevin Speer

Mikrochip-Technologie

Entwickler von Hochspannungs-Stromversorgungssystemen haben sich bemüht, die Anforderungen der Kunden nach kontinuierlicher Innovation bei der Verwendung von Silizium-MOSFETs und IGBTs zu erfüllen. Die gewünschte Zuverlässigkeit kann oft nicht ohne Einbußen bei der Effizienz erreicht werden, noch können siliziumbasierte Lösungen die heutigen anspruchsvollen Größen-, Gewichts- und Kostenanforderungen erfüllen. Mit dem Aufkommen von Hochspannungs-Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs haben Designer nun jedoch die Möglichkeit, die Leistung zu verbessern und gleichzeitig alle anderen Herausforderungen zu lösen.

Die heutigen 1700-V-SiC-Produkte bauen auf dem Erfolg der 650-V- bis 1200-V-SiC-Leistungsbauelemente auf, die sich in den letzten 20 Jahren zunehmend durchgesetzt haben. Die Technologie hat bereits erhebliche Fortschritte bei der Endausrüstung ermöglicht; und jetzt, mit 1700-V-Leistungsgeräten, erweitert es die unzähligen Vorteile der SiC-Technologie auf neue Endmarktsegmente wie unter anderem kommerzielle und schwere Elektrofahrzeuge, Traktions- und Hilfsstromsysteme für Stadtbahnen, erneuerbare Energien und Industrieantriebe.

Designer können die Vorteile maximieren, die 1700-V-SiC-MOSFETs mit dem richtigen Leistungspaket und der richtigen Gate-Ansteuerung bieten. Dies erhöht seine Vorteile gegenüber aktuellen Siliziumlösungen in einem möglichst breiten Leistungsbereich.

Vorteile bei niedrigeren Leistungsstufen

Die Vorteile von 1700-V-SiC-MOSFETs beginnen bei Leistungspegeln von nur zehn oder hundert Watt. Die SiC-Technologie ist die ideale Lösung für die Hilfsstromversorgung (AuxPS), die in praktisch allen Leistungselektroniksystemen verwendet wird. Ohne ein AuxPS gibt es keine Möglichkeit, die Türcontroller, die Sensor- und Steuerschaltung oder die Kühlgebläse mit Strom zu versorgen. Aufgrund seiner kritischen Funktionen ist Zuverlässigkeit die oberste Priorität für AuxPS-Anwendungen.

Einer der Wege, wie 1700-V-SiC-MOSFETs dazu beitragen, AuxPS-Fehler abzuschwächen, ist ihre hohe Durchbruchspannung, ihr geringerer spezifischer Einschaltwiderstand und ihre schnelle Schaltgeschwindigkeit. Zusammengenommen ermöglichen diese Attribute ein vereinfachtes Schaltungsdesign unter Verwendung der Single-Switch-Flyback-Topologie (siehe Abbildung 1). Im Vergleich dazu haben siliziumbasierte Lösungen entweder eine zu niedrige Nennspannung für diese Topologie (erfordern eine Architektur mit zwei Schaltern und verdoppeln das Ausfallrisiko) oder sie opfern die Leistung für die Nennspannung. Außerdem sind sie nicht von genügend Anbietern erhältlich und teurer als SiC-Geräte.

Durch die Ermöglichung einer Single-Switch-Flyback-Topologie machen es 1700-V-SiC-MOSFETs den heutigen isolierten Schaltnetzteilen mit geringem Stromverbrauch leicht, verschiedene Eingangs- und Ausgangsanforderungen zu unterstützen. Sie können einen Hochspannungs-DC-Eingang (300 V bis 1000 V) akzeptieren und eine Niederspannungsquelle (5 V bis 48 V) ausgeben. Die Einzelschalter-Flyback-Topologie verbessert die Einfachheit und reduziert die Anzahl der Komponenten und die damit verbundenen Gesamtkosten.

Zusätzlich zu seiner höheren Zuverlässigkeit, seinem weniger komplexen Steuerungsschema, weniger Komponenten und niedrigeren Kosten kann ein AuxPS mit 1700-V-SiC-MOSFETs auch kompakter sein. Der flächennormierte Durchlasswiderstand, auch spezifischer Durchlasswiderstand genannt (R_{auf, sp}), , von SiC-MOSFETs ist ein Bruchteil der von Silizium-MOSFETs. Dies bedeutet, dass kleinere Gehäuse für kleinere Chips verwendet werden können und Leitungsverluste reduziert werden, was letztendlich zu einer Reduzierung (oder Eliminierung) der Größe und der Kosten von Kühlkörpern führen kann. SiC-MOSFETs haben auch geringere Schaltverluste, wodurch die Größe, das Gewicht und die Kosten von Transformatoren mit zunehmender Schaltfrequenz reduziert werden können.

Abbildung 2 zeigt den Grad der Effizienzverbesserung der verschiedenen verfügbaren SiC-Bauelemente als Funktion der Ausgangsleistung. Mit den effizientesten Geräten von heute können Systemdesigner sogar eine passive Kühlung implementieren, was bedeutet, dass kein Kühlkörper benötigt wird.

Die Vorteile wachsen mit zunehmender verarbeiteter Leistung

Die Wirkung des schnelleren und effizienteren Schaltens der SiC-Technologie nimmt mit zunehmender verarbeiteter Leistung zu. Wenn man die Leistungsskala auf Dutzende oder Hunderte von Kilowatt (kW) erhöht, gibt es viele Anwendungen für die SiC-Technologie. Abbildung 3 zeigt einen dreiphasigen Multi-kW-Wechselrichter (75 kW in diesem Beispiel) und seine Topologie. Es findet sich unter anderem in der Traktion von Elektrofahrzeugen, Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, Solarwechselrichtern, USVs und Motorantrieben.

Abbildung 4 vergleicht den Wirkungsgrad dieses Wechselrichterdesigns mit 1700-V-Leistungsmodulen in einem Gehäuse mit niedriger Induktivität mit dem anderer Leistungshalbleiter. Das SiC-Modul zeigte einen maximalen Wirkungsgrad von 99,4 % bei 10 kHz. Selbst bei einer Verdreifachung der Schaltfrequenz auf 30 kHz bot das SiC-Modul immer noch einen höheren Wirkungsgrad als Silizium-IGBTs. Dadurch können schwere und teure Filterkomponenten auf nur noch ein Drittel ihrer ursprünglichen Größe reduziert werden.

Im Allgemeinen reduzieren MOSFETs die Schaltverluste im Vergleich zu Silizium-IGBTs um durchschnittlich 80 %, was es Wandlern ermöglicht, die Schaltfrequenz zu erhöhen und gleichzeitig die Größe, das Gewicht und die Kosten von Wandlern zu reduzieren. Die Leitungsverluste von SiC-MOSFETs und Silizium-IGBTs sind unter hoher Last ähnlich, aber es ist wichtiger, die sogenannten "Leichtlast"-Bedingungen zu berücksichtigen, in denen viele Anwendungen den größten Teil ihrer Lebensdauer verbringen. Darunter sind Solarwechselrichter, die sich unter einer Schattenstruktur oder an bewölkten Tagen befinden; Windturbinenkonverter, die an windstillen Tagen laufen; und Zugtüren, die sich dank Transport-Auxiliary-Power-Units (APUs) nur periodisch öffnen/schließen. SiC-MOSFETs haben in diesen Anwendungsfällen geringere Leitungsverluste im Vergleich zu Silizium-IGBTs, was ihre geringen Schaltverluste ergänzt. Die Kombination aus geringeren Leitungs- und Schaltverlusten ermöglicht es Designern, Kühlkörper oder andere Wärmemanagementmaßnahmen zu reduzieren oder zu eliminieren.

Ähnlich wie bei AuxPS-Anwendungen mit geringerer Leistung verbessern SiC-MOSFETs, die in diesem höheren Leistungsbereich verwendet werden, die Zuverlässigkeit, indem sie Designern die Verwendung einer vereinfachten Schaltungstopologie und eines vereinfachten Steuerschemas ermöglichen. Dies wiederum reduziert die Anzahl der Bauteile und die damit verbundenen Kosten. Bei diesen Anwendungen erfordern die höheren Leistungsanforderungen von Wandlern mittlerer Leistung die Verwendung einer höheren DC-Busspannung, typischerweise zwischen 1000 V und 1300 V. Um die Effizienz zu maximieren, mussten Entwickler, die Siliziumtransistoren bei diesen hohen DC-Zwischenkreisspannungen verwenden, traditionell zwischen einigen wenigen komplexen dreistufigen Schaltungsarchitekturen wählen. Beispiele sind die NPC-Diodenschaltung (Neutral Point Clamped), die ANPC-Schaltung (Active NPC) und die Schaltung vom Typ T. Dies ändert sich mit den 1700-V-SiC-MOSFETs, die es Designern ermöglichen, die beiden Ebenen mit der Hälfte der Anzahl von Bauteilen zu verwenden und viel optimiertere Steuerung. Beispielsweise könnte ein System, das zuvor Silizium-IGBTs in einer dreistufigen Schaltungstopologie verwendete, in einer zuverlässigeren zweistufigen Topologie halb so viele (oder weniger) 1700-V-SiC-MOSFET-Module verwenden.

Abbildung 5 zeigt, wie weit Designer die Gesamtzahl der Teile in NPC-, ANPC- und T-Typ-Schaltungen mit SiC-Technologie reduzieren können. Ohne die Vorteile der Parallelschaltung mehrerer Einheiten in jeder Schalterstellung zu berücksichtigen, haben die verschiedenen Schaltungsarchitekturen, die mit IGBTs verwendet werden, 4- bis 6-mal mehr Komponenten als eine SiC-Lösung. Wenn die Anzahl der Einheiten reduziert wird, wird auch die Anzahl der Türsteuerungen reduziert und das Steuerschema vereinfacht.

Wechsel zur Megawatt-Anwendungsskala

Anwendungen im Megawattbereich reichen von Festkörpertransformatoren (SSTs) und Mittelspannungs-DC-Verteilungssystemen bis hin zu Antriebseinheiten (TPUs) in Nutz- und Schwerlastfahrzeugen. Weitere Anwendungen sind zentrale Solar-Wechselrichter und Offshore-Windumrichter sowie Energieumwandlungssysteme an Bord von Schiffen. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel eines mehrstufigen modularen Konverters.

In Anwendungen innerhalb dieses Multi-Megawatt-Leistungsbereichs verwendet ein Festkörpertransformator wie der oben gezeigte mehrere Ebenen von in Reihe geschalteten Leistungszellen, um die Spannungsanforderungen zu erfüllen. Jede Zelle kann eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke sein. Einige Designer entscheiden sich sogar für dreistufige Architekturen. Die Verwendung von modularen Lösungen, die auf einer Basiseinheitszelle basieren, verbessert die Skalierbarkeit und minimiert den Wartungsaufwand. Diese Einheitszellen, die manchmal als Leistungselektronikblöcke oder Submodule bezeichnet werden, sind als kaskadierte H-Brücken-Wandler oder modulare Multilevel-Wandler (MMCs) konfiguriert.

Um diese Einheitszellen zu implementieren, haben Designer in der Vergangenheit Silizium-IGBTs mit 1200 V bis 1700 V verwendet. Beim Ersatz durch 1700-V-SiC-MOSFETs auf Einheitszellenebene tritt derselbe Effekt wie bei Anwendungen mit niedrigerer Leistung beschrieben auf: bessere Leistungssteuerbarkeit und elektrische Leistung. Die geringeren Schaltverluste der 1700-V-SiC-MOSFETs ermöglichen eine Erhöhung der Schaltfrequenz. Die Größe jeder Einheitszelle wird drastisch reduziert, und die hohe Sperrspannung von 1700 V reduziert die Anzahl der Einheitszellen, die für die gleiche Zwischenkreisspannung benötigt werden. Letztendlich erhöht dies die Systemzuverlässigkeit, indem die Anzahl der Zellen reduziert wird, während die Kosten gesenkt werden, indem weniger aktive Schalter und Türcontroller verwendet werden. Wenn beispielsweise eine 1700-V-SiC-Lösung in einem Festkörpertransformator verwendet wird, der an einer 10-kV-Mittelspannungsverteilungsleitung betrieben wird, kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen im Vergleich zu den in Reihe geschalteten Zellen um 30 % reduziert werden.Sie verwenden Siliziumalternativen.

Bedeutung der Leistungskapselung und der richtigen Gate-Ansteuerung

Da SiC-MOSFETs hohe Leistungspegel bei sehr hohen Geschwindigkeiten schalten können, müssen Nebeneffekte wie Rauschen und elektromagnetische Interferenz (EMI) sowie eine begrenzte Kurzschlussfestigkeit und durch Induktivität verursachte Überspannung gemindert werden Überhitzung. Der typische Wandler mittlerer Leistung gibt Hunderte von Ampere über einen 1000-V-1300-V-Bus in weniger als einer Mikrosekunde aus.

Microchip bietet Gehäuseoptionen für SiC-MOSFET-Module, die die parasitäre Induktivität erheblich reduzieren. Dazu gehören Halbbrückenpakete mit einer Streuinduktivität von < 2,9 Nanohenry (nH) zur Maximierung von Strom, Schaltfrequenz und Effizienz (siehe Abbildung 7). Diese Gehäusetypen bieten auch eine höhere Leistungsdichte und einen kompakten Formfaktor, sodass weniger Module für komplette Systeme parallel geschaltet werden müssen, was zu einer weiteren Reduzierung der Gerätegröße beiträgt.

Neben der Minimierung der Gehäuseinduktivität und der Optimierung des Systemdesigns können Designer auch ein neues Gate-Ansteuerverfahren verwenden, das speziell darauf ausgelegt ist, die Nebeneffekte der schnelleren Schaltgeschwindigkeiten von SiC-MOSFETs abzuschwächen. Die heutigen schnell reagierenden, intelligenten, konfigurierbaren digitalen Gate-Controller reduzieren Drain-Source-Überspannungen (V_DS) um bis zu 80 % im Vergleich zum herkömmlichen analogen Ansatz und reduzieren Schaltverluste um bis zu 50 %. Außerdem verkürzen sie die Markteinführungszeit um bis zu sechs Monate und bieten neue verbesserte Switching-Fähigkeiten.

Diese Funktionen ermöglichen es Designern, Einstellungen zu untersuchen und sie für verschiedene Türcontroller-Parameter wiederzuverwenden, wie z. B. Türschalterprofile, kritische Systemmonitore und Controller-Schnittstelleneinstellungen. Sie können Türsteuerungen schnell so einstellen, dass sie viele verschiedene Anwendungen ohne Hardwaremodifikationen unterstützen, wodurch die Entwicklungszeit von der Evaluierung bis zur Produktion verkürzt wird. Sie können auch während des gesamten Designprozesses Steuerparameter ändern und Schaltprofile vor Ort nach Bedarf und/oder bei einer Verschlechterung der SiC-MOSFETs ändern.

Aktuelle SiC-MOSFET-Angebote sollten auch Teil eines umfassenden SiC-Ökosystems sein, das einen direkten Weg von der Evaluierung bis zur Produktion bietet. Dazu gehören anpassbare Moduloptionen sowie digitale Türcontroller, mit denen Benutzer die Systemleistung optimieren und die Markteinführungszeit per Mausklick verkürzen können. Weitere Elemente des Ökosystems umfassen Referenzmodul-Adapterplatten, ein SP6LI-Leistungsmodul mit niedriger Induktivität, Montagehardware und Anschlüsse für Thermistor und Gleichspannung sowie ein Programmierkit für konfigurierbare Software. Ergänzende diskrete Produkte vervollständigen das Ökosystem.

Eine Reihe von Vorteilen

In einem Kontinuum von Leistungsumwandlungsanwendungen, von Watt bis Megawatt, treiben Hochspannungs-SiC-MOSFETs Designer dazu, über die Kompromisse von Siliziumlösungen hinauszugehen, um Innovationen in der Entwicklung von Leistungsumwandlungssystemen voranzutreiben. Sie erhöhen die Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten und verringern gleichzeitig die Größe und das Gewicht der effizientesten Stromversorgungssysteme und Wandler. Bei Verwendung mit intelligenter digitaler Gate-Ansteuerung bieten 1700-V-SiC-MOSFETs ihren höchstmöglichen Wert. Microchip bietet ein breites Portfolio an robusten und zuverlässigen SiC-Komponenten in Form von Chips, diskreten und Leistungsmodulen sowie digitale Gate-Steuerungslösungen, die es dem Entwickler ermöglichen, SiC einfach, schnell und zuverlässig einzusetzen.