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Leistungselektronik Power-Module auf SiC-Basis für alle Leistungsklassen

Zwei wesentliche Vorteile von SiC-Leistungshalbleitern sind die 3-fach höhere Wärmeleitfähigkeit und 10-fach höhere Durchbruchspannung im Vergleich zu Silizium. Vier solcher SiC-Devices skizziert der Artikel.

Bild 1: Gehäuseform und elektrisches Ersatzschaltbild des SiC-Leistungsmoduls FMF750DC-66A im LV100-Gehäuse.
Bild 1: Gehäuseform und elektrisches Ersatzschaltbild des SiC-Leistungsmoduls FMF750DC-66A im LV100-Gehäuse.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Im Zuge der verantwortungsvollen Nutzung von Energieträgern hat ein neues Material für Leistungshalbleiter den technologischen Hype-Zyklus durchlaufen: Siliziumkarbid (SiC). Seine ausgezeichneten physikalischen und elektrischen Eigenschaften haben das Potenzial, elektrische Energie noch stärker einzusparen und Umrichter weiter zu verkleinern. Der grundsätzliche Unterschied zwischen einem SiC-Halbleiter und dem klassischen Silizium-Chip ist der größere Bandabstand. Dadurch sind im SiC-Material zehnfach höhere elektrische Feldstärken zulässig, wodurch die SiC-Chips bei gleicher Blockierspannung dünner gefertigt werden. Dies wiederum senkt den elektrische Widerstand und die elektrischen Verluste.

Durch den höheren Bandabstand lassen sich SiC-MOSFETs und SiC-Schottky-Dioden für hohe Blockierspannungen herstellen, etwa für 3300 oder 6500 V. Diese unipolaren Bauelemente erzeugen geringere Schaltverluste und ermöglichen entsprechend hohe Schaltgeschwindigkeiten und Schaltfrequenzen. Dies führt in vielen Anwendungen zu einer Reduzierung des Bauvolumens anderer Komponenten wie Filter, Transformatoren oder Motoren. Neben der Einsparung von Materialien und Kosten wird dadurch der gesamte Umrichter kompakter.

SiC-Hochvolt-Modul für 3300 V und 750 A im LV100-Gehäuse

Entwickelt wurde das SiC-Leistungsmodul FMF750DC-66A für Umrichter mit hoher Leistung und hoher Spannung. Typische Anwendungen dieser Umrichter sind Anlagen für die erneuerbare Energieerzeugung, Energieverteilungsnetze, große Pumpen, Lüfter und Eisenbahnantriebe. Die Schlüsselanforderung an die Leistungshalbleiter für solche Anwendungen ist eine hohe Leistung kombiniert mit einer hohen Zuverlässigkeit. Das SiC-Modul FMF750DC-66A hat die standardisierte LV100-Gehäuseform mit einer 140 mm x 100 mm großen Bodenplatte. Gehäuse und elektrisches Ersatzschaltbild sind in Bild 1 dargestellt.

Die Kopplung an den Zwischenkreis ist sehr einfach, da die DC-Anschlüsse auf einer Seite zugänglich sind, während die AC-Anschlüsse auf der anderen Seite liegen. Zur Skalierung der Leistung lassen sich Module direkt nebeneinander parallelschalten. Die sehr niedrige parasitäre Gehäuseinduktivität von 14 nH ermöglicht die Ausnutzung der schnellen Schaltgeschwindigkeiten der SiC-Technologie, ohne dabei die maximale Blockierspannung von 3300 V zu überschreiten. Zugleich bleibt das Risiko von unerwünschten Oszillationen bei niedriger Gehäuseinduktivität gering.

Im FMF750DC-66A integriert sind 3300-V-SiC-MOSFETs mit parallelgeschalteten SiC-SBD-Dioden. Das ermöglicht auf einer Seite die Schaltfrequenz des Umrichters zu erhöhen und auf der anderen Seite die elektrischen Verluste bemerkenswert zu reduzieren. Mit Erhöhung der Schaltfrequenz lassen sich das Gewicht und die Größe der induktiven Komponenten des Umrichters reduzieren. Die harmonischen Oberwellen werden kleiner und damit sinken auch die elektrischen Verluste. Die gesamte Effizienz steigt deutlich, verglichen mit der konventionellen Silizium-Technologie.

Hohe Zuverlässigkeitsanforderungen standen beim FMF750DC-66A-Modul im Mittelpunkt der Entwicklung; insbesondere die Temperaturwechselfestigkeit wurde im Vergleich zum Silizium-Pendant um 50% verbessert. Diese erhöhte Beständigkeit ist auch für eine Steigerung der Sperrschichttemperatur von 150 °C auf 175 °C nachgewiesen. Im Betrieb werden die Leistungshalbleiter extremen Umwelteinflüssen wie hoher Feuchtigkeit und Kondensation ausgesetzt. Deswegen hat man bereits bei der Entwicklung insbesondere darauf geachtet, die Robustheit gegen Umwelteinflüsse zu verbessern. Das Bauelement hat einen anspruchsvollen Feuchtigkeitstest unter 85%RH, 85 °C und 2100 V über 1000 Stunden ohne Ausfall überstanden. Alle durchgeführten Kondensationstests haben die Robustheit des Bauteils gegen Kondensation bestätigt.

Industrie-SiC-MOSFET-Module der zweiten Generation

Bild 2: Gehäuseausführung eines 1200-V-SiC-MOSFET-Dualmodul der zweiten Generation mit RTC-Funktion.
Bild 2: Gehäuseausführung eines 1200-V-SiC-MOSFET-Dualmodul der zweiten Generation mit RTC-Funktion.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Blockierspannungen von 1200 und 1700 V charakterisieren die SiC-MOSFET-Leistungsmodule der zweiten Generation, die speziell zum Einsatz in Photovoltaik, unterbrechungsfreien Stromversorgungen, der Aufzugtechnik, Computertomographie oder Magnetresonanztomographie entwickelt wurden. Bild 2 zeigt ein SiC-MOSFET-Dual-Modul mit integrierter RTC-Schutzschaltung (Real Time Control). Die Maße und Positionen der Leistungsanschlüsse sind bei der zweiten Generation kompatibel zur ersten Generation. Die bewährte planare Struktur des SiC-MOSFETs und die antiparallele SiC-Shottky-Diode (SBD) wurden verbessert, ebenso erfuhr die Rückwirkungskapazität (Reverse Transfer Capacitance) für höhere Schaltgeschwindigkeit eine Optimierung. Als Ergebnis sank außerdem der RDS(on) um 15% bei einer Sperrschichttemperatur von 150 °C.

Zusätzlich wurde die maximal spezifizierte Chip-Temperatur von 150 auf 175 °C erhöht. Diese Erhöhung war durch eine verbesserte Chip-Verteilung, optimierte Chip-Größe und erhöhte Dicke der Bodenplatte möglich. Alle Module der zweiten Generation erreichen durch die Optimierung eine verbesserte laterale Wärmeverteilung. Die Kurzschlussfähigkeit wurde durch die interne RTC-Schaltung erhöht.

Bild 3: Prinzipschaltbild der Real Time Control-Schutzfunktion (RTC). RTC ist in der Lage, den Kurzschlussstrom zu erkennen und diesen zu begrenzen.
Bild 3: Prinzipschaltbild der Real Time Control-Schutzfunktion (RTC). RTC ist in der Lage, den Kurzschlussstrom zu erkennen und diesen zu begrenzen.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Bild 3 und 4 zeigen das Prinzip von RTC und die Kurzschlussverläufe. RTC ist in der Lage, den Kurzschlussstrom zu erkennen und diesen zu begrenzen. Somit hat das System genügend Zeit, um auf den Fehlerfall zu reagieren. Manche Anwendungen, beispielsweise Stromversorgungen, benötigen keine Kurzschlussfähigkeit des Halbleitermoduls, weswegen auch Module ohne RTC-Schaltung verfügbar sind.

Bild 4: Beispiel-Messung mit Aktivierung der RTC-Schutzfunktion durch einen Kurzschluss.
Bild 4: Beispiel-Messung mit Aktivierung der RTC-Schutzfunktion durch einen Kurzschluss.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Unten auf dieser Seite ist die Übersicht der erhältlichen SiC-MOSFET-Leistungsmodule der zweiten Generation tabellarisch zusammengefasst. Insbesondere bei den 1200-V-Leistungsmodulen gibt es ein umfangreiches Portfolio mit Nennströmen von 300 bis 1200 A, um möglichst Lösungen für alle Anwendungen anzubieten. Mit der hohen Leistungsdichte und der hohen Schaltfrequenz tragen diese SiC-MOSFET-Module zur Miniaturisierung sowie zur technischen und kommerziellen Effizienz der Systeme bei.

Optimierte SiC-IPMs für Wechselrichteranwendungen

Bild 5: Das aktuelle Line-up des SiC-IPMs beinhaltet das 1200-V-/50-A-Modul PMH50CGA120 (Si-IGBT plus SiC-SBD).
Bild 5: Das aktuelle Line-up des SiC-IPMs beinhaltet das 1200-V-/50-A-Modul PMH50CGA120 (Si-IGBT plus SiC-SBD).
(Bild: Mitsubishi Electric)

Mit dem SiC Intelligent Power Module (IPM) gibt es eine außergewöhnliche Lösung für Wechselrichteranwendungen wie Motorantriebe, Ladesysteme und andere spezielle Einsätze, bei denen Kompaktheit und Wirkungsgrad eine entscheidende Rolle spielen. Das SiC-IPM (Bild 5) verbindet die Vorteile der SiC-Technologie der zweiten Generation von Mitsubishi Electric mit den Eigenschaften des IPM-Konzepts.

Integrierte Intelligenz: Das IPM besteht aus sechs aktiven Schaltern (dreiphasige Wechselrichtertopologie), von denen jeder aktive Schalter mit einer eigenen Gate-Ansteuerung ausgestattet ist, die über externe und isolierte Signale angesteuert werden. Schutzfunktionen wie Kurzschlussschutz und Übertemperaturschutz sind im Modul mittels im Chip integrierter Sensoren realisiert. Die Erkennung und Unterscheidung der Fehlerart erfolgt durch die vorhandene Fehlermeldungsfunktion (Fo). Externe, isolierte Versorgungsspannungen sind für die Funktionen des Moduls notwendig, weshalb das IPM selbst die Spannungsstabilität dieser Quellen überwacht.

Hohe Leistungsfähigkeit: Ein Alleinstellungsmerkmal des IPM-Konzepts ist die adaptive Regelung der Schaltgeschwindigkeit. Eine Optimierung der Schaltverluste ist ohne gleichzeitige Verschlechterung der dv/dt-Eigenschaften gegeben, sodass ein hoher Wirkungsgrad ohne Kompromisse beim EMV-Verhalten des Umrichters realisiert wird. Das aktuelle Line-up des SiC-IPMs beinhaltet das 1200-V-/50-A-Modul PMH50CGA120 (Si-IGBT plus SiC-SBD). Die Entwicklung eines Full-SiC-IPMs (SiC MOSFET plus SiC SBD) ist ebenfalls in Planung. Die Kombination der SiC-Technologie mit den IPM-Funktionalitäten führt zur bestmöglichen Effizienz des Gesamtsystems.

SiC Super Mini DIP: PSF15S92F6 und PSF25S92F6

Bild 6: Gehäuseform der SiC-DIPIPMs PSF15S92F6 und PSF25S92F6.
Bild 6: Gehäuseform der SiC-DIPIPMs PSF15S92F6 und PSF25S92F6.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Für kleine Ausgangsleistungen wurden zwei SiC-Leistungsmodule mit einer Blockierspannung von 600 V und Nennströmen von 15 A und 25 A entwickelt. Diese Leistungsmodule werden mithilfe der Transfermold-Technologie (Harz-Verguss) hergestellt. Diese Technologie erlaubt hohe Produktivität und Belastbarkeit auch in extremen Umgebungen. Beide Leistungsmodule enthalten sechs SiC-MOSFETs als Schalter für dreiphasige Anwendungen. Die Leistungsmodule sind der DIPIPM-Produktfamilie zuzuordnen, die ebenfalls zu den intelligenten Leistungsmodulen (IPM) gehört.

Ein IPM enthält zwei Treiber-ICs: ein HV-IC für die P-seitigen Schalter und ein LV-IC für die N-seitigen Schalter. Die Spannungsversorgung des HV-IC kann durch eine relativ einfache Bootstrap-Schaltung erfolgen. Dazu sind die Dioden für diese Bootstrap-Lösung bereits im Leistungsmodul integriert. Zusätzlich besitzen IPMs Schutzfunktionen, etwa gegen Unterspannung bei der Spannungsversorgung und gegen den Kurzschlussfall. Ein im LV-IC integrierter Temperatursensor sorgt für die kontinuierliche Temperaturmessung innerhalb des IPMs.

Tabelle: Übersicht verfügbarer 2nd-Generation-SiC-MOSFET-Module für industrielle Anwendungen.
Tabelle: Übersicht verfügbarer 2nd-Generation-SiC-MOSFET-Module für industrielle Anwendungen.
(Quelle: Mitsubishi Electric)

Anwendungen dieser Bauteile sind zum Beispiel Umrichter, die bis zu 24 Stunden täglich in Betrieb sind. Dazu zählen Klimaanlagen, Umlaufpumpen und unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Interessant werden SiC-Halbleiter bei diesen Anwendungen in Ländern mit hohen Preisen für die Elektrizität. Zu solchen Ländern zählen beispielsweise Deutschland, Dänemark oder Japan. In diesen Ländern befindet sich derzeit der Energiepreis für private Haushalte bei etwa 0,30 €/kWh.

Unabhängige Marktuntersuchungen sehen den Elektrizitätspreis von 0,40 €/kWh in 5 Jahren als realistisch an. Begründet wird dieser Preisanstieg mit dem steigenden Anteil der regenerativen Energieerzeugung und mit dem sinkenden Anteil der nuklearen Energieerzeugung. Unter der Berücksichtigung von solchen Energiepreis-Entwicklungen und der nominalen Ausgangsleistung wird die Kostendeckung für die SiC-Halbleiter bereits innerhalb eines Jahres erreicht. Der Betrieb von SiC-Leistungsmodulen würde demnach in fünf Jahren durch Energieersparnis einen monetären Gewinn von 500 € bedeuten.

* Rene Spenke ist Applikationsingenieur Leistungshalbleiter bei Mitsubishi Electric, Ratingen.

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