Dynamische SiC-Treiber

Herausforderungen an Gate-Treiber für effiziente SiC-Umrichter

16.03.17 | Autor / Redakteur: Johannes Krapp * / Gerd Kucera

Bild 1: Effizienter 25-kW-SiC–MiniSKiiP-Aufbau mit SKYPER 12.
Bild 1: Effizienter 25-kW-SiC–MiniSKiiP-Aufbau mit SKYPER 12. (Bild: SEMIKRON)

Die Treiber SKYPER 12 und 42 LJ bieten die notwendige Dynamik und Robustheit für SiC-Lösungen bis 100 kHz. 7 kV Burst-Festigkeit und 8 Mio. h Zuverlässigkeit sorgen für stabilen Feldeinsatz.

Der Markt für Leistungselektronik betrug im Jahr 2016 über 30 Mrd. $ (Quelle IHS Markit). Diesen Markt bedient heute nahezu ausschließlich die Leistungselektronik auf Silizium. Neue Forderungen bezüglich Integrationsfähigkeit, Effizienz oder Schaltgeschwindigkeit können Silizium-basierte Lösungen an das physikalische Limit bringen. In die Anwendung integrierte Antriebslösungen benötigen minimale Abwärme, neue Spannungsversorgungskonzepte müssen auf die Hälfte der Größe und der Verlustleistung getrimmt werden.

Des Weiteren benötigen neue Systemansätze höchste Frequenzen, um passive Bauteile zu reduzieren oder die Performance des Endsystems zu erhöhen. In vielen Anwendungsbereichen werden heute alternative Stromrichter-Topologien wie Multilevel oder Interleaved eingesetzt, um die Effizienz und die Performance zu erhöhen. Hierbei können neue Halbleitermaterialen wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Galliumoxid (Ga2O3) helfen, die Komplexität des Systems und somit der Regelung zu reduzieren und gleichzeitig die Performance zu steigern.

Mit 15 Jahren Forschungshistorie ist Siliziumkarbid die heute am weitesten fortgeschrittene Technologie in diesem Bereich. Die vorausgesagten Wachstumsraten gemäß den Marktforschungsinstituten liegen bis ins Jahr 2025 im Bereich von 20% jährlich (Quelle Yole). Motivation genug, die Herausforderungen beim Einsatz dieser Technologie genauer zu beleuchten.

Der Einsatzbereich von SiC startet heute bei 600 V und geht potenziell bis 25 kV. Der große technologische Vorteil im Vergleich zu Silizium ergibt sich aus den hohen Schaltgeschwindigkeiten und den niedrigen Schaltverlusten, die die MOSFET-Struktur ermöglicht.

Der effiziente Einsatz dieser Technologie bedingt aber auch erhöhte Anforderungen an die Peripherie. Um die Verlustleistung gering zu halten muss schneller geschaltet werden und umso niederinduktiver müssen die Modulgehäuse die Zwischenkreisanbindung ermöglichen. Eine Ansteuerelektronik soll mit mehr Ausgangsleistung immer kleiner werden und schneller schalten bei gesteigerter Störfestigkeit.

Um SiC-Halbleiter effizient ansteuern zu können, muss das Schaltverhalten der neuen Technologie genau analysiert werden. In der Regel sind es die applikationsnahen Bedingungen, z.B. das Abschaltverhalten über den kompletten Temperaturbereich oder der Betrieb in realer EMV Umgebung, welche die besonderen Herausforderungen erst identifizieren. Das Hauptkriterium für den Einsatz von SiC-MOSFETs ist derzeit das Potenzial, die Schaltverluste zu reduzieren. Mit der Ansteuerelektronik kann man diesen Effekt durch reduzierte Gate-Widerstände und Totzeiten signifikant verstärken.

Hybride SiC-Leistungsmodule, d.h. ein schnell schaltender IGBT auf Siliziumbasis mit einer effizienten SiC-Schottky-Diode, erfordern keine speziellen Lösungen von Seiten der Ansteuerelektronik. SiC-MOSFETs haben dahingegen höhere Anforderungen an die Ansteuerelektronik. Heute verfügbare SiC-Generationen benötigen andere Ansteuerspannungen. Der Bereich reicht von -3 bis -5 V zum Ausschalten und +15 bis +20 V für das Einschalten. Ziel für zukünftige Chip-Generationen ist es, die Standard-Spannung mit +15 V/-5 V von Silizium zu ermöglichen.

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