Wechselrichter Rechnerische Betrachtung der Vorteile von SiC-Halbleitern

Autor / Redakteur: Paul Kierstead * / Gerd Kucera

SiC-Material erlaubt die Implementierung schneller und verlustarmer unipolarer Leistungsbausteine mit Sperrspannungen und Stromtragfähigkeiten, die in Si nicht praktikabel möglich wären.

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Bild 2: Gegenüberstellung der Gesamt-Schaltverluste (Schalter und Dioden) eines 1200-V-/100-A-SiC-MOSFET-Moduls und eines 1200-V-/150-A-Si-IGBT-Moduls bei Temperaturen von 25 und 150°C
Bild 2: Gegenüberstellung der Gesamt-Schaltverluste (Schalter und Dioden) eines 1200-V-/100-A-SiC-MOSFET-Moduls und eines 1200-V-/150-A-Si-IGBT-Moduls bei Temperaturen von 25 und 150°C
(Bild: Cree)

Nachdem die Nennspannungen von SiC-Schottkydioden in den letzten zehn Jahren stetig angehoben wurden und mittlerweile das Niveau von 1200 V sowie schließlich 1700 V erreicht haben, gibt es inzwischen auch SiC-MOSFETs in Single-Die-Ausführung mit Stromtragfähigkeiten über 50 A. Damit ist jetzt die Implementierung standardmäßiger, hart geschalteter Wechselrichter möglich, in denen die konventionellen Silizium-Bausteine vollständig durch Leistungshalbleiter auf SiC-Basis ersetzt sind.

Dies resultiert in kleineren, leichteren und effizienteren Wechselrichtern mit Leistungen bis zu einigen 100 kW, die mit deutlich höheren Schaltfrequenzen arbeiten und sich durch überragende thermische Eigenschaften auszeichnen. Diese neue Wechselrichtergeneration erschließt noch mehr Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise im Bereich der erneuerbaren Energien (PV- und Brennstoffzellen-Wechselrichter), der industriellen Antriebe, der unterbrechungsfreien Stromversorgungen, der industriellen Drehstromversorgungen sowie der großen Traktions- und Windkraft-Anwendungen.

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Welche Vorteile ein durchgehend auf Siliziumkarbid basierendes Design bietet, soll nachfolgend an Simulationen und realen Anwendungen illustriert werden. Bei korrekter Umsetzung sorgen diese Vorteile dafür, dass für die Leistungshalbleiter insgesamt geringere Kosten entstehen. Voraussetzung ist allerdings, dass die Designer die SiC-spezifischen Vorzüge während des Schaltens und in der Leitphase vollständig ausschöpfen und die SiC-Komponenten so spezifizieren, dass die Leistungs- und Wirkungsgradvorgaben erfüllt werden.

SiC-MOSFET oder Si-MOSFET: Eigenschaften und Effizienz

Beim Design von Wechselrichtern geht es zuerst darum, die verwendeten Bauelemente so zu dimensionieren, dass sie den Spannungs- und Leistungsanforderungen des Systems gerecht werden. Die Strom-Spezifikationen des zugrundeliegenden Wechselrichtermoduls werden durch die Nennströme und Leitungsverluste der verwendeten Bausteine definiert. Ausschließlich mit SiC-Bauelementen bestückt, kommt ein (meist mit Power-Modulen implementiertes) Wechselrichter-Design mit niedrigeren Nennströmen aus, was sich durch die prinzipbedingt geringeren Schaltverluste begründet.

Zum Beispiel arbeitet das für 1200 V/100 A ausgelegte SiC-Modul von Cree im regulären Betriebsbereich des Wechselrichters mit deutlich niedrigeren durchschnittlichen Leitungsverlusten als ein konkurrierendes Si-IGBT-Modul für 1200 V und 150 A. Im leitenden Zustand verhält sich ein unipolarer SiC-MOSFET wie ein Widerstand, während ein bipolarer IGBT das Verhalten einer Serienschaltung aus Widerstand und Diode hat.

Bild 1 zeigt ähnliche Leitungsverluste für ein 100-A-SiC-MOSFET-Modul und ein 150-A-IGBT-Modul bei 25 und 150 °C. Bei zurückgehendem Laststrom bleibt die Spannung am IGBT relativ konstant, während sich der Spannungsabfall am SiC-MOSFET entsprechend seinem RDS(on) linear verringert. Wie das I-V-Diagramm zeigt, fällt im SiC-Modul bei 50 A Laststrom eine Verlustleistung von 50 W ab, während es im IGBT-Modul 65 W sind. Dies entspricht einer 23%igen Senkung der Leitungsverluste. Hieraus resultiert eine signifikante Verringerung der Verluste im durchschnittlichen Betriebsmodus eines Wechselrichters. Bei Systemen auf der Basis von Si-IGBTs werden die Module hinsichtlich der Stromtragfähigkeit meist überdimensioniert, um auf einen akzeptablen Wirkungsgrad zu kommen. Wechselrichter auf SiC-Basis erfordern demgegenüber deutlich weniger Derating.

Aufgrund der niedrigen Schaltverluste von SiC-Schottkydioden ist es möglich, Silizium-PiN-Dioden durch wesentlich kleinere und billigere SiC-Bauteile zu ersetzen. Nutzen lassen sich die geringen Schaltverluste von SiC-Bauelementen beispielsweise in Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen (Power Factor Correction – PFC) oder ähnlich konzipierten Aufwärtswandler-Schaltungen. Die PFC kommt in Offline-Anwendungen für die meisten Netzteile zum Einsatz. Aufwärtswandler findet man häufig in PV-Wechselrichtern, unterbrechungsfreien Stromversorgungen oder industriellen Netzteilen. Ersetzt man eine PiN-Diode durch eine SiC-Schottkydiode, lassen sich die Verluste um nicht weniger als 50% mindern.

Die verlustsenkende Wirkung der SiC-Bauelemente fällt darüber hinaus mit steigender Systemfrequenz immer mehr ins Gewicht. Generell benötigen SiC-Bauelemente für 150 bis 200 W Eingangsleistung nur etwa 1 A Nennstrom. Bei Silizium-Bauelementen ist dagegen der vierfache Wert erforderlich – selbst bei Produkten mit den kürzesten Sperrverzögerungszeiten. Eine PFC- oder Aufwärtswandler-Schaltung mit 1,5 kW Leistung müsste beispielsweise mit einer 40-A-Siliziumdiode bestückt werden, während eine SiC-Schottkydiode mit 10 A Nennstrom ausreichend wäre.

Vergleich der Schaltverluste: Noch eindrucksvoller treten die Vorteile von SiC-Bauelementen gegenüber IGBTs bei den Schaltverlusten zutage, wie nachfolgend an einer Simulation deutlich wird. In einem typischen dreiphasigen Wechselrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis (englisch Voltage Source Inverter – VSI) kann ein 1200-V-/100-A-SiC-MOSFET-Modul auch bei einer geringen Schaltfrequenz von 5 kHz ein 1200-V-/150-A-Si-IGBT-Modul ersetzen. Wird die Schaltfrequenz angehoben, ist die SiC-Lösung hinsichtlich der erforderlichen Stromtragfähigkeit immer deutlicher im Vorteil.

In einem typischen, für 415 Vrms und 75 Arms dimensionierten VSI wurden beide Varianten bei Schaltfrequenzen von 5 und 16 kHz simuliert. Wie Bild 2 illustriert, waren die Gesamt-Schaltverluste des SiC-MOSFET-Moduls bei 5 kHz um den Faktor 4 bis 7 geringer als die des Si-IGBT-Moduls mit vergleichbaren Eckdaten. Die besseren Schalteigenschaften machen sich durch eine höhere Systemleistung oder mehr thermischen Spielraum bezahlt, wobei zwischen niedrigeren Kosten pro kW und einer höheren Systemzuverlässigkeit abgewogen werden muss. Die Verbesserung der thermischen Eigenschaften geht auch aus den Simulationsergebnissen in Tabelle 1 hervor.

Wird der VSI mit seinem vollen Laststrom von 75 A und einer Schaltfrequenz von 5 kHz betrieben, sind bei gleichen Kühlkörpern die Verluste des SiC-MOSFET-Moduls um 13,7% geringer als die des Si-IGBT-Moduls. Die Halbleiterverluste insgesamt verringern sich um 23,2% oder 145,3 W, und die Kühlkörper- und Gehäusetemperaturen gehen um 7,4°C bzw. 8,0 °C zurück.

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