SiC-MOSFET-Module für EV-Ladestationen Mehr Zuverlässigkeit, weniger thermischer Widerstand

Redakteur: Gerd Kucera

Als Teil des EV-Lade-Ökosystems von ON Semiconductor wurden neue SiC-MOSFET-Module für den Einsatz mit Treibern der Serie NCD5700x entwickelt. SiC-Lösungen für das On-Board- und Off-Board-Laden werden nächste Woche auf der virtuellen APEC 2021 präsentiert.

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Zur APEC 2021: Zwei neue 1200-V-SiC-MOSFET-Module erweitern das Bauteilangebot für Elektrofahrzeuge (EV).
Zur APEC 2021: Zwei neue 1200-V-SiC-MOSFET-Module erweitern das Bauteilangebot für Elektrofahrzeuge (EV).
(Bild: ON Semiconductor)

Mit der Dekarbonisierung von Automobilen und anderen Transportmitteln wird es einen steigenden Bedarf an Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge (EV) geben. Die Stromversorgung braucht dazu robuste Systeme, von denen man Sicherheit und Zuverlässigkeit erwartet. In diesem Metier engagiert sich Halbleiterhersteller ON mit Super-Junction-MOSFETs, IGBTs, SiC-Bauelemente und Power Integrated Modules (PIMs), die zusammen mit Gate-Treibern, Sensoren, Steuer- und Peripheriekomponenten, um Ladesystem-Komplettlösungen für Elektrofahrzeuge aller Typen und Leistungsstufen zu ermöglichen. EV-Ladegeräte werden üblicherweise in Level 1 bis Level 4 klassifiziert, entsprechend der Ladeleistungsstufe. Beim Laden auf Level 1 und Level 2 befindet sich die Hauptleistungselektronik gewöhnlich im Fahrzeug (On-Board-Ladegeräte, OBC).

Über 350 kW Leistung und 95% Wirkungsgrad

Die Anforderungen steigen ungebrochen und verlangen von der Systemelektronik eine Leistung von mehr als 350 kW mit Wirkungsgrade von 95%, die laut ON zur Norm werden. Und hinsichtlich der unterschiedlichen Umgebungen und Standorte, an denen diese Ladegeräte eingesetzt werden, sind Kompaktheit, Robustheit und erhöhte Zuverlässigkeit der Ladesysteme die Herausforderungen, denen sich die Entwickler stellen müssen. Um die Design-Arbeit zu vereinfachen stellt ON entsprechende SiC-Module (1200-V-M1-SiC-MOSFET-2-Pack-Module) vor. Sie basieren auf der Planar-Technologie und sind für eine Steuerspannung von 18 bis 20 V geeignet und lassen sich einfach mit negativen Gate-Spannungen ansteuern. Durch eine größere Chip-Fläche (Die) verringert ON den Wärmewiderstand im Vergleich zu Trench-MOSFETs, was die Chip-Temperatur bei gleicher Betriebstemperatur reduziert.

Als Halbbrücke konfiguriert

Das als 2-PACK-Halbbrücke konfigurierte Modul NXH010P120MNF ist ein 10-mΩ-Baustein im F1-Gehäuse; 6 mΩ Durchlasswiderstand hat der NXH006P120MNF2, ein -Baustein im F2-Gehäuse. Beide Gehäuse haben Einpressstifte, die sie für industrielle Anwendungen eignen. Ein integrierter Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) erleichtert die Temperaturüberwachung.

Als Teil des EV-Lade-Ökosystems von ON Semiconductor wurden diese neuen SiC-MOSFET-Module für den Einsatz mit Treibern der Serie NCD5700x entwickelt. Der kürzlich eingeführte isolierte 2-Kanal-IGBT/MOSFET-Gate-Treiber NCD57252 bietet eine galvanische Trennung von 5 kV und lässt sich für einen Dual-Low-Side-, Dual-High-Side- oder Halbbrückenbetrieb konfigurieren.

Der NCD57252 wird im kleinen SOIC-16-Gehäuse ausgeliefert und akzeptiert Logikpegel-Eingänge (3,3 V; 5 V und 15 V). Der für hohe Ströme taugliche Baustein (als Quelle 4 A/als Senke 6 A bei Miller-Plateau-Spannung) eignet sich laut Hersteller für den Highspeed-Betrieb, da die typische Laufzeitverzögerung 60 ns beträgt.

Ein besseres Schalt- und Wärmeverhalten

Ergänzt werden die neuen Module und der Gate-Treiber durch ON Semiconductors SiC-MOSFETs, die im Vergleich zu ähnlichen Si-Bausteinen nach ON-Angaben ein besseres Schalt- und Wärmeverhalten bieten. Dies führe zu einem höheren Wirkungsgrad, mehr Leistungsdichte, weniger elektromagnetischen Störungen (EMI) sowie einer geringeren Systemgröße mit verringertem Gewicht.

Die vorgestellten 650-V-SiC-MOSFETs basieren auf einem neuen Design für aktive Zellen in Kombination mit einer Dünnwafer-Technologie, die eine hohe Güte (FoM) für (RDS(on) x Fläche) ermöglicht. Bausteine dieser Serie, wie der NVBG015N065SC1, NTBG015N065SC1, NVH4L015N065SC1 und NTH4L015N065SC sollen den branchenweit niedrigsten RDS(on) für MOSFETs im D2PAK7L-/TO247-Gehäuse besitzen.

Die 1200-V- und 900-V-n-Kanal-SiC-MOSFETs zeichnen sich durch eine kleine Chip-Größe aus, was die Bauelementkapazität und die Gate-Ladung (Qg bis zu 220 nC) reduziert und damit die Schaltverluste beim Betrieb mit den von EV-Ladegeräten geforderten hohen Frequenzen verringert.

Während der APEC 2021 wird ON Semiconductor seine SiC-Lösungen für industrielle Anwendungen vorstellen und zudem Vorträge zu seinen Lösungen für das Off-Board-Laden von EVs halten.

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