SiC-Power-Module Parasitäre Induktivitäten in SiC-Anwendungen minimieren

Autor / Redakteur: Bob Callanan * / Gerd Kucera

Nach Exkurs in die Quellen parasitärer Induktivitäten gibt der Autor wichtige Hinweise zur richtigen Kondensatorauswahl, gefolgt von Vorschlägen für geeignete Layout-Techniken.

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Bild 1: Die Magnetfelder heben sich bei der parallelen (gestapelten) Anordnung wesentlich besser auf als bei der koplanaren Konfiguration.
Bild 1: Die Magnetfelder heben sich bei der parallelen (gestapelten) Anordnung wesentlich besser auf als bei der koplanaren Konfiguration.
(Bild: Cree)

In immer mehr Leistungselektronik- und Stromrichterschaltungen kommen MOSFETs, Schottkydioden und Power-Module auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) zum Einsatz. Das Anwendungsspektrum reicht dabei von PV-Wechselrichtern über unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Motorantriebe bis zu Hochspannungs-Stromversorgungen für Datenkommunikations- und Telekommunikations-Server.

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Die SiC-Leistungshalbleiter mit ihrer breiten Bandlücke zeichnen sich durch hohe Spannungs- und Stromfestigkeit sowie hohe Schaltgeschwindigkeiten aus. Gegenüber konventionellen IGBTs und MOSFETs auf Siliziumbasis bieten sie große Vorteile hinsichtlich der Schaltverluste, der thermischen Eigenschaften und der Eignung für hohe Frequenzen. Bei der Spezifikation und dem Leiterplatten-Layout muss jedoch besonders auf das Minimieren der parasitären Schaltungselemente geachtet werden, wenn das Performance-Potenzial von SiC-Modulen in maximalem Umfang ausgeschöpft werden soll.

Grundlagen zur parasitären Induktivität

Die Überlegungen, die bezüglich der Minimierung parasitärer Induktivitäten beim Design mit SiC-Power-Modulen angestellt werden müssen, unterscheiden sich übrigens von den Erwägungen im Zusammenhang mit dem Einsatz herkömmlicher IGBTs oder MOSFETs. Zu den wichtigsten Anliegen dieses Beitrags gehört die Verringerung der parasitären Induktivität der Kondensatorbatterie im Gleichspannungs-Zwischenkreis, wie er in der Leistungselektronik vielfach zum Einsatz kommt. Im Blickpunkt steht hier insbesondere die Verbindung zwischen der Kondensatorbatterie und dem SiC-Modul.

Dieser Artikel gibt nach einem kurzen theoretischen Exkurs in die Quellen parasitärer Induktivitäten wichtige Hinweise zur richtigen Kondensatorauswahl für die vorgegebenen Performance-Kriterien, gefolgt von Vorschlägen für geeignete Layout-Techniken zur Minimierung parasitärer Effekte. Anschließend werden zwei Designs mit verschiedenen SiC-MOSFET-Modulen vorgestellt, nämlich ein Halbbrücken-MOSFET-Modul (1,2 kV, 100 A, 50 mm) und ein Six-Pack-Modul (1,2 kV, 50 A). Angegeben sind auch die parasitären Induktivitäten, die an den realen Kondensatorbatterien beider Module real gemessen wurden.

Da Grundkenntnisse zum Thema Induktivität vorausgesetzt werden dürfen, soll sich die folgende Abhandlung darauf konzentrieren, wie sich die parasitären Induktivitäten in einem modulbasierten Design minimieren lassen. Induktivität ist grundsätzlich das Resultat von Wechselwirkungen magnetischer Felder in einem Stromkreis. Die nächstliegende Methode, unerwünschte Induktivitäten zu minimieren, besteht deshalb darin, die magnetischen Felder so weit einzudämmen, wie es mit dem jeweiligen Schaltungs-Layout praktikabel ist. Reduzieren lassen sich die parasitären Induktivitäten auch, indem man die Leiter innerhalb des Stromkreises möglichst kurz hält.

Darüber hinaus spielt jedoch auch die Geometrie dicht gepackter Leiter innerhalb der Schaltung eine wichtige Rolle für das Minimieren des Magnetfelds und damit auch für die Verringerung der Induktivität. Die parallele (gestapelte) Anordnung von Leitern mit rechteckigem Querschnitt ergibt eine herausragende Induktivitätsreduzierung gegenüber koplanaren Konfigurationen (Anordnung nebeneinander). Die Induktivität reduziert sich bei beiden Konfigurationen. Die parallele Anordnung zeichnet sich jedoch durch erheblich mehr Überlappung und folglich durch eine hervorragende Aufhebung der magnetischen Felder aus, sodass die Induktivität hier geringer ist (Bild 1). Realisieren lässt sich diese höchst empfehlenswerte Verlegung der Leiterbahnen mithilfe mehrlagiger Leiterplatten.

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