SiC-MOSFET

Tipps für den Umstieg vom IGBT zum SiC-MOSFET

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Preis-Leistung-Verhältnis von Silizium zu Siliziumkarbid

Bekanntermaßen sind die Produktionskosten von Siliziumkarbid-Wafern höher als die von Silizium-Wafern. Neben anderen Faktoren liegt dies an der Energie, die zum Züchten der Kristalle benötigt wird. Es ist allerdings zu erwarten, dass dieser Kostenunterschied in den nächsten Jahren spürbar geringer wird, wofür unter anderem folgende Faktoren verantwortlich sind: Erhöhung der Wafergröße, Verringerung der Defekte auf den Wafern sowie der Prozesse und nicht zuletzt Skaleneffekte infolge der zunehmenden Verbreitung von SiC-Bauelementen. Ungeachtet des höheren Preises der Bauelemente lassen sich bereits heute SiC-basierte Systeme herstellen, die wirtschaftliche Vorteile bieten. Im folgenden Abschnitt werden exemplarisch zwei Systeme beschrieben, die durch die Umstellung auf SiC-Schalter kostengünstiger werden.

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Hilfsstromversorgungen und Industrie-Stromversorgungen

Industrielle Systeme benötigen eine Hilfsstromversorgung für Peripherie-Bauteile wie etwa Mikrocontroller, Gate-Treiber, Lüfter, LCDs und anderes mehr. Für diesen Zweck kommen häufig Wandler mit der Flyback-Topologie zum Einsatz. In Dreiphasen-Systemen, in denen die Eingangsspannung von Phase zu Phase bis zu 480 VAC betragen kann, sind in der Regel Bauelemente mit Sperrspannungen größer als 1000 V erforderlich.

Bevor es SiC-Schalter gab, wurden Hilfsstromversorgungen mit Silizium-MOSFETs und BJTs mit Sperrspannungen bis 1500 V implementiert, die trotz großer Chipfläche einen hohen Einschaltwiderstand aufwiesen. Dies führte zu großen statischen und dynamischen Verlusten, was nahezu immer die Verwendung von Kühlkörpern erforderte und die Systemkosten ansteigen ließ.

SiC-MOSFETs mit 1700-V-Sperrspannung gibt es dagegen mit Einschaltwiderständen von nur 1 Ω, und wegen der kleinen Chipfläche werden auch die dynamischen Verluste spürbar reduziert. Folglich sind hohe Schaltfrequenzen von bis zu 120 kHz möglich, was nebenbei die Verwendung kleinerer Wandler gestattet, ohne dass irgendwelche Kühlkörper benötigt werden. Dies wird in [4] gezeigt, wo auch der quasi-resonante Controller für Sperrwandler von ROHM vorgestellt wird.

Schaltnetzteile werden in industriellen Anwendungen in großem Umfang zur Versorgung von Gleichstrom-Verbrauchern wie etwa Niederspannungs-Batterien verwendet. Die Systeme bestehen meist aus zwei Stufen, nämlich einem Gleichrichter und einem anschließenden isolierten Gleichspannungswandler.

In Bild 5 sind zwei Industrie-Stromversorgungen nebeneinander zu sehen. Das System links im Bild ist mit Silizium-IGBTs bestückt und arbeitet mit Schaltfrequenzen von 20 kHz (AC-DC) beziehungsweise 40 kHz (DC-DC). Bei einer Nennleistung von 20 kW erreicht diese Stromversorgung einen Wirkungsgrad von 83%. Im Vergleich dazu basiert das neue Stromversorgungssystem rechts in Bild 5 auf SiC-MOSFETs, deren geringere dynamische Verluste ein Anheben der Schaltfrequenz ermöglichten. Die AC-DC-Stufe arbeitet jetzt mit 40 kHz und die DC-DC-Stufe mit 150 kHz. Aufgrund der hierdurch möglichen Verkleinerung der magnetischen Bauelemente ist das Volumen dieser Version um 40% geringer als das des ursprünglichen Systems. Die Systemkosten blieben dabei gleich, während die Nennleistung um 30% auf nunmehr 26 kW angehoben werden konnte.

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