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Leistungswandler Siliziumkarbid als Alternative zu Silizium und Galliumnitrid

| Autor / Redakteur: John W. Palmour, John Mooken * / Gerd Kucera

Warum SiC-Bausteine in vielen leistungselektronischen Designs die bessere Alternative zu Silizium und Galliumnitrid sind, skizziert der Artikel am Beispiel eines Resonanzwandlers.

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Bild 1: Vergleich eines Si-IGBT und SiC-MOSFET (beide 50 A) in einem Modul; beim SiC-Baustein fehlt das typische Knie in der I-V-Kurve.
Bild 1: Vergleich eines Si-IGBT und SiC-MOSFET (beide 50 A) in einem Modul; beim SiC-Baustein fehlt das typische Knie in der I-V-Kurve.
(Bild: Wolfspeed)

Bei der Auswahl von MOSFETs und IGBTs stehen allzu oft die Kosten pro Verstärker im Mittelpunkt. Von Bedeutung sind jedoch die Kosten pro kW eines leistungselektronischen Systems. Nicht nur in diesem Punkt haben Systeme mit Siliziumkarbid-Bausteinen klare Vorteile.

Es gibt eine Vielzahl von Systementwicklungen die zeigen, dass SiC-MOSFETs im Vergleich zu Leistungskomponenten auf Silizium-Grundlage auch hinsichtlich Performance Vorzüge aufweisen. Das ist vor allem bei Anwendungen im Bereich 900 bis 1200 V der Fall. Ein wesentlicher Vorteil von SiC-MOSFETs ist, dass sich damit vorhandene Multi-Level-Schaltungstopologien vereinfachen lassen. Der Grund ist, dass bei SiC-MOSFETs deutlich niedrigere Schaltverluste auftreten als bei Silizium-Bausteinen und entsprechenden IGBTs.

Letztlich schlägt sich der Einsatz von SiC-Komponenten in Systemen nieder, die geringere Material- und Betriebskosten aufweisen und zudem über eine höhere Effizienz verfügen. Der letztgenannte Faktor ist, trotz der höheren Schaltfrequenzen, auf die niedrigen Schaltverluste zurückzuführen.

Konventionelle Si-MOSFETS und IGBTs sind für einen bestimmten DC-Nennstrom bei Gehäusetemperaturen von 25 °C spezifiziert. Die Betriebstemperaturen erreichen jedoch in der Praxis bis zu 100 °C. Die Folgen sind deutlich niedrigere Stromwerte und damit ein De-Rating der Komponenten. Dies ist auf einen Anstieg der VCEsat bei IGBTs beziehungsweise RDS(on) bei MOSFETs bei zunehmender Temperatur zurückzuführen. Damit verbunden ist eine Zunahme der Leitungsverluste.

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Ein weiterer Grund für das De-Rating sind die Schaltverluste. Diese werden bei der Festlegung der Nennströme nicht berücksichtigt, und dies, obwohl die Komponenten in entsprechenden Anwendungen zum Einsatz kommen.

Unterschiede zwischen SiC- und Si-Bausteinen

SiC-MOSFETs unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von Si-IGBTs und entsprechenden MOSFETs. Sie besitzen beispielsweise niedrigere Leitungsverluste und extrem geringe Schaltverluste bei erhöhten Betriebstemperaturen. Das führt dazu, dass SiC-MOSFETs kein „Knie“ bei der I-V-Kurve aufweisen (Bild 1). Das zeigt ein Vergleich eines Si-IGBT und SiC-MOSFET, die beide für 50 A spezifiziert sind. Die Leitungsverluste der Komponenten sind bei Erreichen des Nennstroms gleich. Allerdings laufen die De-Rating-Kurven bei steigender Betriebstemperatur auseinander. Bei einem Drittel des Nennstroms weist der SiC-Baustein nur die Hälfte der Leitungsverluste des Si-IGBT auf. Das heißt, er arbeitet erheblich effizienter.

Im Vergleich zu einem Super-Junction-MOSFET aus Silizium mit vergleichbaren Nennwerten für Strom und Spannung bei Raumtemperatur (25 °C) ist beim SiC-MOSFET eine deutlich geringere Abhängigkeit von RDS(on) als Funktion der Temperatur zu beobachten. Die Folge: Deutlich niedrigere Leitungsverluste im hohen Temperaturbereich (Bild 2). Hinzu kommen die um den Faktor fünf bis sechs geringeren Schaltverluste von SiC-MOSFETs.

Entwickler, die SiC-MOSFETs statt Silizium-Bausteine in Leistungswandlern einsetzen möchten, sollten jedoch folgenden Punkt berücksichtigen: Die Datenblätter von SiC-Komponenten orientieren sich an denen von Si-Bausteinen. Die angegebenen Nennstrom-Werte von SiC-MOSFETs spiegeln somit nicht deren Einsatzmöglichkeiten in der Praxis wider. Diese lassen sich jedoch mit kostenlosen Online-Tools ermitteln, etwa dem SpeedFit Design Simulator von Wolfspeed. Diese Anwendung ermittelt die Verlustleistung bei bestimmten Temperaturen und hilft somit Entwicklern dabei, die passenden SiC-Komponenten zu finden.

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