Wide-Bandgap-Halbleiter

SiC-Bauelemente in der elektrischen Antriebstechnik

Seite: 2/3

Firmen zum Thema

Vergleich dreier verfügbarer SiC-Transistortypen

Nachfolgend werden drei auf dem Markt verfügbaren SiC-Transistortypen hinsichtlich ihrer Treiber-Anforderungen und Fertigungskomplexität miteinander verglichen:

  • Der SiC-MOSFET ist hinsichtlich der Treiberanforderungen einfach einzusetzen, da bekannte und bereits bei Si-IGBTs und Si-MOSFETs erprobte Treiberschaltungen verwendbar sind. Eindeutig von Nachteil ist, wie erwähnt, der stark temperaturabhängige On Wiederstand sowie die Zuverlässigkeit des SiC-Oxid. Der SiC-MOSFET hat bereits intrinsisch eine anitparallele Diode integriert, was in Summe zu einem kompakten Bauteil führt. Bei genauerer Betrachtung der Diodenparameter zeigen sich hinsichtlich der Performance durchaus Nachteile, insbesondere das hohe Vf sowie die negativen Schalteigenschaften im Vergleich zu einer separaten SiC- bzw Si-Diode. Hinsichtlich der Fertigungskomplexität sowie der größeren Chipfläche des SiC-MOSFET im Vergeich zum SiC-BJT ist davon auszugehen, dass die Bauteilkosten signifikant höher liegen als dies mit dem SiC-BJT der Fall ist.
  • Die SiC-JFETs sind ein Kompromiss, um die komplexe Fertigungstechnologie des SiC-MOSFETs zu vermeiden, dennoch einen guten On-Widerstand zu erreichen, und mit einer separaten antiparallel-Diode das Bauteil zu optimieren. Das Signal-Management mit dem Normally-On-Device ist sicherlich kritischer als mit dem Normally-Off-Feature, kann sich jedoch mit niedrigem On-Widerstand und etwas höherer Robustheit präsentieren. Typischerweise werden Kaskoden-Schaltungen verwendet (Low-voltage-MOSFET in Reihe zum JFET geschaltet). Der Normally-Off-JFET benötigt Spannungsspitzen und einen kontinuierlichen Gate-Strom, was zu geringfügig erhöhten Ansteuerungsverlusten führt.
  • Der SiC-BJT sticht durch die andersartige Ansteuerung, dafür aber durch optimale elektrische Eigenschaften heraus. Mit dem niedrigsten RDS(on)-Wert, höchster Temperaturstabilität und einer vergleichsweise einfachen und gut beherrschbaren Fertigungstechnologie hat er das Potenzial, mittelfristig das optimale Preis/Leistung-Verhältnis zu liefern. Wie beim Normally-off-JFET ist ein kontinuierlicher Ansteuerstrom erforderlich, bei niedrigerem Spannungspotenzial und höherem Strom (beispielsweise 3 V/300 mA für einen 15-A-SiC-BJT). Dies führt in der Ansteuerung zu etwas höheren Verlusten, aber die Bilanz der Gesamtverlustleistung ist durch niedrigere Leitend- und auch Schalt-Verluste im Vergleich zu den anderen Technologien deutlich im Vorteil. Eine Hürde in der Akzeptanz des SiC-BJT könnte dadurch bestehen, dass viele Entwickler ihre Erfahrung primär mit der Gate-Ansteuerung von MOSFETs oder IGBTs gemacht haben und weniger in der Basisstrom-Ansteuerung von BJTs. Der SiC-BJT bietet die Vorteile, die sich letztlich in der Anwendung auszahlen, auch wenn die Entwicklung der Ansteuerung eventuell etwas aufwändiger ist. Applikationsblätter zur Ansteuerung eines SiC-BJT sind im Internet verfügbar und in absehbarer Zeit werden auch speziell angepasste Treiberbausteine erhältlich sein.

Allen Bauteilen ist gemeinsam, dass sie auf gleichem Platzbedarf deutlich niedrigere Verluste als die am Markt etablierte Si-Technologie aufweisen. Allerdings ist dies nicht vollständig isoliert vom Thema der Schaltgeschwindigkeit bewertbar.

Bildergalerie

Elektrische Antriebstechnik und Schaltgeschwindigkeit

Mit den hohen Schaltgeschwindigkeiten (dv/dt) lassen sich auch hohe Schaltfrequenzen realisieren. Da die meisten Antriebsanwendungen im Bereich 4 kHz arbeiten, oder für audiosensible Anwendungen im Bereich 15 bis 20 kHz, ist eine höhere Schaltfrequenz nicht erforderlich und bringt vorerst auch keine Vorteile. Mit dem höheren dv/dt und den damit verbundenen Effekten wird die Konzeptionierung, Dimensionierung und das Layout einer Baugruppe noch kritischer. Es erfordert somit mehr Spezial-Knowhow und Kenntnisse zur Umsetzung eines zuverlässig funktionierenden Designs, als mit herkömmlichen Silizium-Bauteilen.

Gerade in der Antriebstechnik ist die Schaltgeschwindigkeit (dv/dt) ein besonders kritischer Parameter im Zusammenhang mit dem kompletten Antriebssystem. Vereinfacht besteht ein typisches Antriebssystem aus einem Umrichter mit Netzzuleitung, einem Elektromotor mit entsprechender Last und einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden.

Drei Effekte im Zusammenhang mit hohem dv/dt

Drei Effekte im Zusammenhang mit hohem dv/dt werden nachfolgend betrachtet: Effekt 1 betrifft die EMV: Schnelle Schaltvorgänge, welche durch den Einsatz von SiC-Bausteinen möglich sind, generieren im System hochfrequente harmonische Frequenzen, die sich primär über die Verbindungsleitung zum Motor leitungsgebunden ausbreiten, als auch vom Gesamtsystem abgestrahlt werden können. Typischerweise werden geschirmte Leitungen verwendet, wenn dies möglich ist.

(ID:42357860)