SIC-JFETS Frequenzumrichter passt in den Motor-Anschlusskasten

Autor / Redakteur: Dr. Martin Schulz, Dr. Liliana De Lillo, Dr. Lee Empringham, Prof. Pat Wheeler * / Gerd Kucera

Durch Kombination von SiC-JFETs mit optimierten Treibern und innovativem thermischen Management konnte bei einem 20-kVA-Umrichter 80% des Volumens einspart werden.

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Bild 1: Der 20-kVA-Matrix-Umrichter mit SiC-JFETs; die Abmessungen des Demonstrators sind (B x T x H) 12,2 cm x 6,2 cm x 11,7 cm (0,885 dm³) bei einem Gewicht von 1,7 kg.
Bild 1: Der 20-kVA-Matrix-Umrichter mit SiC-JFETs; die Abmessungen des Demonstrators sind (B x T x H) 12,2 cm x 6,2 cm x 11,7 cm (0,885 dm³) bei einem Gewicht von 1,7 kg.
(Bild: Infineon)

Beim Thema Leistungsdichte steht häufig der Leistungshalbleiter als zentrale Komponente im Fokus. Halbleiterhersteller betrachten Leistungsdichte in Form von Stromtragfähigkeit des Chips meist als zweidimensionale Größe in A/cm². Hersteller von Umrichtern hingegen streben nach kompakteren Aufbauten und haben kW/dm³ im Blick. Die Kombination von JFETs auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) mit neuester Treibertechnologie und innovativem thermischen Management in einem Matrixumrichter eröffnet eine neue Dimension der Leistungsdichte in der Frequenzumrichtertechnik. Doch die Steigerung der Leistungsdichte führt unweigerlich zu lokalen Temperaturerhöhungen, speziell im Leistungshalbleiter und seiner direkten Umgebung.

Die gewinnbringenden Eigenschaften sogenannter Wide-Bandgap-Materialien wie SiC bestehen unter anderem darin, dass der Betrieb bei höherer Junction-Temperatur möglich ist. Um diese höhere Temperatur ausschöpfen zu können ist eine Umgebung notwendig, die gegenüber dieser höheren Temperatur unempfindlich ist. Da unter anderem die DC-Kondensatoren in Umrichtern hier eine Begrenzung darstellen, wurde die Topologie des Matrix-Umrichters gewählt, um dieses Nadelöhr zu eliminieren.

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Ein bidirektionaler Schalter besteht aus nur zwei Chips

Der Direktumrichter besteht aus einer Matrix von bidirektionalen Schaltern. Für den Demonstrator wurden diese Schalter mit Infineons neuen SiC-JFETs aufgebaut. Ein einzelner bidirektionaler Schalter besteht aus vier Dies. Jeweils zwei davon sind in Anti-Serie geschaltet und haben einen gemeinsamen Drain-Anschluss. Bild 1 zeigt links die Schaltung sowie rechts ein Foto des Aufbaus im Modul.

Im Bild ist zu erkennen, dass der Aufbau keinen zusätzlichen Platz für Freilaufdioden in Anspruch nimmt, da diese als intrinsische Body-Diode Teil des SiC-Dies sind. Ein einzelner bidirektionaler Schalter besteht daher nur aus zwei statt vier Chips, was weiter zur Erhöhung der Leistungsdichte beiträgt. Die Parallelschaltung zweier solcher Anordnungen ist notwendig, um die gewünschte Stromtragfähigkeit zu erzielen und ermöglich die effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche.

Neue Treiberentwicklung für ein effizienteres Design

Weil der Matrixumrichter aus einer 3x3-Matrix bidirektionaler Schalter aufgebaut ist, sind in Summe 18 Gate-Treiber notwendig. Infineons kürzlich vorgestellter 2-Kanal-Treiber 2ED020I12FA fand hier Verwendung, um die in Bild 2 dargestellte kompakte Treiberbaugruppe zu gestalten.

Das mit 36 Pins ausgestattete Gehäuse beinhaltet zwei Treiberkerne mit gemeinsamer Logikseite. Wie in allen ICs der EICE-Treiber-Familie geschieht die galvanische Trennung mittels Infineons CoreLess-Transformer-Technologie. Die hohe Integrationsdichte führt zu erheblicher Einsparung beim PCB-Platz. Im Vergleich mit einkanaligen Treibern vom Typ 1ED020I12-F reduziert sich der Platzbedarf für die ICs von 212 mm² auf 132 mm², was einer Ersparnis von 40% gleichkommt. Eine zusätzliche Konsequenz der gemeinsamen Logikseite ist der geringe Bedarf an diskreten Komponenten auf der Ansteuerseite. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften fand die Ansteuerbaugruppe für die 18 Kanäle auf einer Platine mit 60 mm x 120 mm Platz. Die hier verwendete Technologie eignet sich speziell für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen; sie erlaubt eine maximale Junction-Temperatur der ICs von 150 °C.

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