SiC-MOSFET

Tipps für den Umstieg vom IGBT zum SiC-MOSFET

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Qualität und Zuverlässigkeit der Halbleiter

Der Umstieg auf SiC-Schalter erfolgt mit der Intention hoher Schaltfrequenzen und Schaltgeschwindigkeiten. Diese wiederum resultieren in sehr geringen dynamischen Verlusten, können aber gewisse Herausforderungen mit sich bringen, was die Erfüllung der Vorgaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) angeht.

Die für netzgekoppelte Systeme geltende Norm CISPR11 (besonders in der Version B) setzt Grenzen für elektromagnetische Störgrößen im Frequenzbereich ab 150 kHz. Bild 6 zeigt den Frequenzbereich und die Störaussendungs-Grenzwerte (in dBµV).

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Als Beispiel soll ein PV-Wechselrichter betrachtet werden, der bei 20 kHz arbeitet, eine typische Frequenz von Silizium-IGBTs mit über 600 V Sperrspannung. Die vom Wechselrichter kommende rechteckförmige Spannung muss gefiltert werden, bevor sie das Stromnetz erreicht. Mithilfe der Fourier-Transformation lässt sich die Rechteckwelle als eine Reihe von Sinuswellen beschreiben, deren Frequenzen die Grundschwingung (20 kHz) und die ungeradzahligen Harmonischen (60 kHz, 100 kHz usw.) sind. Man kann jetzt zeigen, dass die erste Frequenz, die in den regulierten Bereich fällt, die neunte Harmonische ist, die um nahezu 20 dBµV natürlich gedämpft wird. Dieser in [5] anschaulich dargestellte Sachverhalt ist in Bild 6 wiedergegeben.

Hebt man die Frequenz nun auf beispielsweise 100 kHz an, fällt bereits die dritte Harmonische in den regulierten Bereich. Dementsprechend erfolgt eine um etwa 18 dBµv geringere natürliche Dämpfung, was durch einen passiven Filter kompensiert werden muss.

Um eine Erhöhung der Systemkosten durch den zusätzlichen Filteraufwand zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Schaltfrequenz knapp unter 50 kHz anzusetzen (mit dieser Maßnahme fällt dann die dritte Harmonische nicht mehr in den regulierten Bereich) oder etwas kleiner als 150 kHz zu wählen (Grundschwingung fällt noch nicht in den regulierten Bereich). Wird eine höhere Schaltfrequenz gewünscht, liegt der nächste interessante Wert laut Literaturhinweis [5] bei über 400 kHz, wo der passive Filter erneut kleiner wird. Parasitäre Elemente wie etwa Streuinduktivitäten, Streukapazitäten und Streuwiderstände aus der Umgebung können den Betrieb bei solchen Frequenzen stören.

Ihre Ursache können beispielsweise Gehäuse, Isolationsfolien, Serienwiderstände von Kondensatoren, das Leiterplatten-Design usw. sein. Zur Vermeidung diesbezüglicher Problem könnten Resonanz-Topologien eine interessante Option sein. Schaltungen wie etwa Serienresonanz-LLC-Wandler [6] vermeiden harte Schaltvorgänge und reduzieren dadurch die Abstrahlung elektromagnetischer Störgrößen. Außerdem lässt sich die Schaltgeschwindigkeit kontrollieren. Der Spannungsverlauf ist dabei eher trapezförmig und die natürliche Dämpfung der hochfrequenten Harmonischen verbessert sich.

Literaturhinweise:

[1] „Semikron Application Manual“, 2nd edition, page 117. Available online https://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-application-manual-power-semiconductors-english-en-2015

[2] “ROHM Semiconductor shows 3rd Generation SiC MOSFETs with Trench Gate Structure”. Available online http://www.powerguru.org/rohm-semiconductor-shows-3rd-generation-sic-mosfets-with-trench-gate-structure/

[3] Source : H. Asai, I Nashiyama, K Sugimoto, K Shiba, Y Sakaide, Y Ishimaru, Y Okazaki ,K Noguchi, T Morimura “Tolerance Against Terrestrial Neutron-Induced Single-Event Burnout in SiC MOSFETs” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.61, 2014.

[4] Application Note “BD768xFJ-LB series Quasi-Resonant converter Technical Design”. Available online.

[5] A. C. Schittler, D. Pappis, P. Zacharias: “EMI filter design for high switching speed and frequency grid-connected inverters”, EPE 2016.

[6] Y. Nakakohara, et al “Three Phase LLC Series Resonant DC/DC Converter Using SiC MOSFETs to Realize High Voltage and High Frequency Operation”, IEEE Transactions On Industrial Electronics.


* Dr. Vladimir Scarpa ist Application Engineer Power bei ROHM Semicondcutor in Willich.

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