Wie man die Energieinfrastruktur effizienter und zuverlässiger macht und gleichzeitig die Kosten senkt

Entwickler von Energieinfrastrukturen, von Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Solarwechselrichtern bis hin zu Energiespeichern und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen, stehen ständig vor der Herausforderung, den CO2-Ausstoß zu verringern, die Zuverlässigkeit zu verbessern und die Kosten zu senken.

Um diese Ziele zu erreichen, müssen sie genau prüfen, wie sie ihre Stromwandlerlösungen optimieren können, um Leitungs- und Schaltverluste zu verringern, eine gute thermische Leistung beizubehalten, den Gesamtformfaktor zu reduzieren und elektromagnetische Störungen (EMI) zu verringern. Außerdem müssen sie sicherstellen, dass die gewählte Lösung das Verfahren zur Genehmigung von Produktionsteilen (PPAP) erfüllen kann und nach AEC-Q101 qualifiziert ist.

Um diese Herausforderungen zu meistern, können Entwickler auf eine Vielzahl von Siliziumkarbid(SiC)-Leistungs-MOSFETs, SiC-Schottky-Dioden, Gate-Treiber-ICs und Leistungsmodule zurückgreifen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick darüber, wie die SiC-Technologie die Effizienz und Zuverlässigkeit erhöhen und die Kosten im Vergleich zu den klassischen Silizium(Si)-Ansätzen senken kann. Anschließend werden Optionen für das Gehäuse und die Systemintegration von SiC vorgestellt, bevor mehrere Beispiele aus der Praxis von onsemi gezeigt werden, wie Entwickler diese am besten anwenden können, um die Leistung von SiC-Leistungs-MOSFETs und Gate-Treibern zu optimieren und so die Herausforderungen der Energieinfrastruktur zu meistern.

SiC vs. Si

SiC ist ein Material mit breiter Bandlücke (Wide Bandgap, WBG), mit einer Bandlücke von 3,26 Elektronenvolt (eV) im Vergleich zur 1,12 eV Bandlücke von Si. Außerdem bietet es eine 10-mal höhere Durchschlagsfestigkeit, eine mehr als 3-mal höhere Wärmeleitfähigkeit und kann im Vergleich zu Si bei viel höheren Temperaturen betrieben werden. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich SiC gut für den Einsatz in Anwendungen der Energieinfrastruktur (Tabelle 1).

Tabelle 1: Aufgrund der Materialeigenschaften von 4H-SiC im Vergleich zu Si eignet sich SiC gut für den Einsatz in Anwendungen der Energieinfrastruktur. (Bildquelle: onsemi)

Dank des höheren Durchbruchfeldes können dünnere SiC-Bauelemente die gleiche Nennspannung wie dickere Si-Bauelemente aufweisen, und die dünneren SiC-Bauelemente haben einen entsprechend geringeren Durchlasswiderstand und eine höhere Strombelastbarkeit. Der Mobilitätsparameter von SiC liegt in der gleichen Größenordnung wie der von Si, so dass beide Materialien für die Hochfrequenz-Energieumwandlung geeignet sind, was kompakte Formfaktoren unterstützt. Ihre höhere Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dass SiC-Bauteile bei höheren Stromstärken einen geringeren Temperaturanstieg aufweisen. Die Betriebstemperatur von SiC-Bauelementen wird durch Gehäusefaktoren wie Drahtbindungen begrenzt, nicht durch die Eigenschaften des SiC-Materials. Daher ist die Wahl des optimalen Gehäuses eine wichtige Überlegung für Designer, wenn sie SiC verwenden.

Die Materialeigenschaften von SiC machen es zu einer hervorragenden Wahl für viele Hochspannungs-, Hochgeschwindigkeits-, Hochstrom- und kompakten Leistungswandlerdesigns. In vielen Fällen stellt sich nicht die Frage, ob SiC verwendet werden soll, sondern welche SiC-Gehäusetechnologie das optimale Verhältnis zwischen Leistung und Kosten bietet.

Bei der Verwendung der SiC-Leistungstechnologie stehen den Entwicklern drei grundlegende Optionen zur Verfügung: diskrete Bauelemente, intelligente Leistungsmodule (IPMs) oder leistungsintegrierte Module (PIMs), die jeweils eine Reihe von Kosten- und Leistungsvorteilen bieten (Tabelle 2). Beispiel:

• Diskrete Komponenten werden im Allgemeinen bevorzugt, wenn die Kosten eine wichtige Rolle spielen, z. B. bei Verbraucheranwendungen. Sie unterstützen außerdem Dual-Sourcing und haben eine lange Lebensdauer.
• IPM-Lösungen verkürzen die Entwicklungszeit, haben die höchste Zuverlässigkeit und sind die kompaktesten Lösungen für moderate Leistungsstufen.
• PIMs können im Vergleich zu IPMs Designs mit höherer Leistung und guter Leistungsdichte, einer relativ kurzen Markteinführungszeit, einer Vielzahl von Designoptionen und mehr Möglichkeiten für Dual-Sourcing unterstützen.

Tabelle 2: Vergleich der Integrationsmerkmale und Kompromisse bei der Wahl zwischen diskreten, IPM- und PIM-SiC-Lösungen. (Bildquelle: onsemi)

Hybride Si/SiC-IPMs

Es ist zwar möglich, Lösungen zu entwickeln, bei denen nur SiC-Bauelemente verwendet werden, doch ist es manchmal kostengünstiger, hybride Si/SiC-Designs zu verwenden. Der Hybrid-IPM NFL25065L4BT von onsemi beispielsweise kombiniert Si-IGBTs der vierten Generation mit einer SiC-Boost-Diode am Ausgang zu einer verschachtelten Leistungsfaktorkorrektur-Eingangsstufe für Verbraucher-, Industrie- und medizinische Anwendungen (Abbildung 1). Dieser kompakte IPM enthält eine optimierte Gate-Ansteuerung für die IGBTs, um EMI und Verluste zu minimieren. Zu den integrierten Schutzfunktionen gehören Unterspannungssperre, Überstromabschaltung, thermische Überwachung und Fehlermeldung. Weitere Merkmale des NFL25065L4BT sind:

• Zweiphasige verschachtelte PFC für 600 Volt/50 Ampere (A)
• Optimiert für 20 Kilohertz (kHz) Schaltfrequenz
• Geringer Wärmewiderstand durch direkt gebundenes Aluminiumoxid-Kupfer-Substrat (DBC)
• Integrierter Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) zur Temperaturüberwachung
• Isolationsleistung von 2500 Volt effektiv (RMS) für 1 Minute
• UL-Zertifizierung

Abbildung 1: Der IPM NFL25065L4BT bildet eine verschachtelte PFC-Stufe mit Si-IGBTs der vierten Generation und einer SiC-Boost-Diode am Ausgang. (Bildquelle: onsemi)

SiC-PIMs

Für Solarwechselrichter, EV-Ladestationen und ähnliche Anwendungen, die von der Verwendung eines SiC-basierten PIMs profitieren können, um die Leistungsabgabe bei geringerem Platzbedarf und kleinerem Gesamtvolumen zu maximieren, können Entwickler den NXH006P120MNF2PTG verwenden. Dieser Baustein besteht aus einer SiC-MOSFET-Halbbrücke mit 6 Milliohm (mΩ) Widerstand für 1200 Volt sowie einem integrierten NTC-Thermistor in einem F2-Gehäuse (Abbildung 2). Gehäuseoptionen:

• Mit oder ohne vorinstalliertem Wärmeleitmaterial (TIM)
• Lötbare Stifte oder Einpressstifte

Abbildung 2: Das integrierte Leistungsmodul NXH006P120MNF2PTG wird in einem F2-Gehäuse mit Einpressstiften geliefert. (Bildquelle: onsemi)

Diese IPMs bieten eine maximale Sperrschichttemperatur von 175 Grad Celsius (°C) und benötigen eine externe Steuerung und Gate-Treiber. Die optionale Einpresstechnik, auch Kaltverschweißung genannt, sorgt für eine zuverlässige Verbindung zwischen den Stiften und den durchkontaktierten Bohrungen auf der Leiterplatte. Die Presspassung ermöglicht eine vereinfachte Montage ohne Löten und stellt eine gasdichte, niederohmige Metall-Metall-Verbindung her.

SiC-Schottky-Dioden

SiC-Schottky-Dioden können in Kombination mit IPMs oder in 100% diskreten Designs verwendet werden und bieten im Vergleich zu Si-Dioden eine bessere Schaltleistung und höhere Zuverlässigkeit. SiC-Schottky-Dioden wie die NDSH25170A für 1700 Volt/25 A haben keinen Rückstrom, eine hervorragende thermische Leistung und ein temperaturunabhängiges Schaltverhalten. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad, schnelleren Schaltfrequenzen, höherer Leistungsdichte, geringerer elektromagnetischer Beeinflussung und einfacher Parallelisierung, was alles zu einer Verringerung der Größe und Kosten der Lösung beiträgt (Abbildung 3). Zu den Merkmalen des NDSH25170A gehören:

• 175°C maximale Sperrschichttemperatur
• 506 Millijoule (mJ) Lawinenfestigkeit
• Einmaliger Überlaststrom bis zu 220 A und wiederholte Überlastströme bis zu 66 A
• Positiver Temperaturkoeffizient
• Keine Sperrverzögerung/keine Durchlassverzögerung
• AEC-Q101-konform/PPAP-fähig

Abbildung 3: Die SiC-Schottky-Diode NDSH25170A für 1700 Volt/25 A hat keinen Rückwärtserholungsstrom, eine hervorragende thermische Leistung und ein temperaturunabhängiges Schaltverhalten. (Bildquelle: onsemi)

Diskrete SiC-MOSFETs

Entwickler können diskrete SiC-Schottkys mit den 1200V-SiC-MOSFETs von onsemi kombinieren, die im Vergleich zu Si-Bauelementen eine bessere Schaltleistung, einen geringeren Durchlasswiderstand und eine höhere Zuverlässigkeit aufweisen. Die kompakte Chipgröße von SiC-MOSFETs führt zu geringer Kapazität und Gate-Ladung. In Verbindung mit dem niedrigen Durchlasswiderstand tragen die geringere Kapazität und Gate-Ladung dazu bei, die Systemeffizienz zu steigern, schnellere Schaltfrequenzen zu ermöglichen, die Leistungsdichte zu erhöhen, elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu verringern und kleinere Lösungsformate zu ermöglichen. Der NTBG040N120SC1 beispielsweise ist für 1200 Volt und 60 A ausgelegt und wird in einem D2PAK-7L-Gehäuse für die Oberflächenmontage geliefert (Abbildung 4). Features:

• 106 Nanocoulomb (nC) typische Gate-Ladung
• 139 Picofarad (pF) typische Ausgangskapazität
• 100%-Avalanche-getestet
• Betrieb bei 175°C Sperrschichttemperatur
• AEC-Q101-konform

Abbildung 4: Der SiC-MOSFET NTBG040N120SC1 ist für 1200 Volt/60 A ausgelegt, hat einen Durchlasswiderstand von 40 mΩ und wird in einem D2PAK-7L-Gehäuse für Oberflächenmontage geliefert. (Bildquelle: onsemi)

SiC-MOSFET-Gate-Treiber

Gate-Treiber für SiC-MOSFETs, wie z.B. die Serie NCx51705 von onsemi, liefern eine höhere Treiberspannung als Treiber für Si-MOSFETs. Um einen SiC-MOSFET vollständig einzuschalten, ist eine Gate-Spannung von 18 bis 20 Volt erforderlich, verglichen mit weniger als 10 Volt, die zum Einschalten eines Si-MOSFET benötigt werden. Darüber hinaus benötigen SiC-MOSFETs eine Gate-Ansteuerung von -3 bis -5 Volt, wenn sie ausgeschaltet werden. Entwickler können den Low-Side-Hochgeschwindigkeitstreiber NCP51705MNTXG für 6 A verwenden, der für SiC-MOSFETs optimiert ist (Abbildung 5). Der NCP51705MNTXG liefert die maximale Nennansteuerspannung, um geringe Leitungsverluste zu ermöglichen, und liefert hohe Spitzenströme beim Ein- und Ausschalten, um die Schaltverluste zu minimieren.

Abbildung 5: Vereinfachtes Schaltbild mit zwei NCP51705MNTXG-Treiber-ICs (Mitte rechts), die zwei SiC-MOSFETs (rechts) in einer Halbbrückentopologie ansteuern. (Bildquelle: onsemi)

Entwickler können die integrierte Ladungspumpe nutzen, um eine vom Benutzer wählbare negative Spannungsschiene zu erzeugen, die eine höhere Zuverlässigkeit, verbesserte dv/dt-Immunität und ein schnelleres Abschalten ermöglicht. Bei isolierten Designs kann eine von außen zugängliche 5-Volt-Schiene die Sekundärseite von digitalen oder Highspeed-Optoisolatoren versorgen. Zu den Schutzfunktionen des NCP51705MNTXG gehören die thermische Abschaltung auf der Grundlage der Sperrschichttemperatur des Treiberschaltkreises und die Überwachung der Unterspannungsabschaltung bei Vorspannung.

Überlegungen zum Evaluierungsboard und zur SiC-Gate-Ansteuerung

Um den Evaluierungs- und Designprozess zu beschleunigen, können Entwickler das Evaluierungsboard (EVB) NCP51705SMDGEVB für den NCP51705 verwenden (Abbildung 6). Das Evaluierungsboard enthält einen NCP51705-Treiber und alle erforderlichen Treiberschaltungen, einschließlich eines integrierten digitalen Isolators und der Möglichkeit, jeden SiC- oder Si-MOSFET mit TO-247-Gehäuse einzulöten. Das Evaluierungsboard ist für den Einsatz in allen Low-Side- oder High-Side-Leistungsschaltanwendungen konzipiert. Zwei oder mehr dieser Evaluierungsboards können für einen Totempolebetrieb konfiguriert werden.

Abbildung 6: Das Evaluierungsboard NCP51705SMDGEVB hat Löcher (oben links) für den Anschluss eines SiC- oder Si-Leistungs-MOSFET und enthält den NCP51705-Treiber (U1, Mitte links) und den digitalen Isolator-IC (rechts Mitte). (Bildquelle: onsemi)

Bei der Verwendung des Gate-Treibers NCP51705 mit einem SiC-MOSFET (Abbildung 7) ist eine Minimierung der parasitären Induktivität und Kapazität auf der Leiterplatte wichtig. Einige Überlegungen zum Leiterplattenlayout sind:

• Der NCP51705 sollte sich so nah wie möglich am SiC-MOSFET befinden, wobei besonders auf kurze Leiterbahnen zwischen VDD, SVDD, V5V, Ladungspumpe und VEE-Kondensator und dem MOSFET geachtet werden sollte.
• Die Leitung zwischen VEE und PGND sollte so kurz wie möglich sein.
• Die Leiterbahnen mit hohen dV/dt-Werten müssen vom Treibereingang und DESAT getrennt sein, um einen abnormalen Betrieb zu vermeiden, der durch Rauschkopplung entstehen kann.
• Bei Hochtemperaturdesigns sollten thermische Durchkontaktierungen zwischen dem freiliegenden Pad und der äußeren Schicht verwendet werden, um die thermische Impedanz zu minimieren.
• Für OUTSRC, OUTSNK und VEE müssen breite Leiterbahnen verwendet werden.

Abbildung 7: Empfohlenes Leiterplattenlayout für den NCP51705 zur Minimierung der parasitären Induktivität und Kapazität für die Ansteuerung von SiC-MOSFETs. (Bildquelle: onsemi)

Fazit

SiC spielt eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Anforderungen einer wachsenden Zahl und Vielfalt von Energieinfrastrukturanwendungen zu erfüllen. Entwickler können jetzt SiC-Bauelemente verwenden, um effizientere Hochspannungs-, Hochgeschwindigkeits- und Hochstrom-Leistungsumwandlungsdesigns zu entwerfen, die zu kleineren Lösungsgrößen und höheren Leistungsdichten führen. Allerdings ist die Auswahl des optimalen Gehäuses wichtig, um den maximalen Nutzen aus der Entwicklung mit SiC zu ziehen.

Wie gezeigt, gibt es eine Reihe von Kompromissen in Bezug auf Leistung, Markteinführungszeit und Kosten, die bei der Wahl zwischen diskreten Geräten, IPMs und PIMs zu berücksichtigen sind. Auch bei der Verwendung von diskreten Bauelementen oder PIMs sind die Auswahl des SiC-Gate-Treibers und das optimale Leiterplattenlayout entscheidend für eine zuverlässige und effiziente Systemleistung.

Empfohlene Lektüre

1. Verbesserung des Wirkungsgrads von EV-Antriebsumrichtern mit SiC-MOSFETs
2. Wie man sicher und effizient modulare Batteriespeichersysteme mit steckbaren Batteriepolklemmen bereitstellt