Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern zur Steigerung des Wirkungsgrads von Hochleistungs-Schaltwandlern

Leistungskomponenten aus Siliziumkarbid (SiC) versprechen niedrigere Kosten und einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu den etablierten Komponenten aus Silizium (Si). Manche Entwickler halten SiC-Halbleiter jedoch immer noch für recht teuer und kompliziert zu steuern.

Anhand von Beispielen für SiC-Bauelemente von Microchip Technology wollen wir diese Bedenken ausräumen, indem wir zunächst die grundlegenden Vorteile der SiC-Technologie erläutern. Anschließend werden wir SiC-Leistungshalbleiter besprechen und Simulationswerkzeuge, konfigurierbare digitale Gate-Treiber und Referenzdesigns vorstellen, die den Entwicklungsprozess vereinfachen können.

Klein, leicht, effizient und kostengünstig

Viele elektrische Hochleistungsanwendungen in Industrieanlagen, Elektrofahrzeugen oder erneuerbaren Energien müssen die Effizienz der Energieumwandlung kontinuierlich verbessern, Ressourcen schonen und Kosten senken. SiC-MOSFETs bieten einige herausragende Vorteile für Systemspannungen bis zu 2000 Volt und Leistungen über 3 Kilowatt (kW) im Vergleich zu den bewährten Si-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs).

SiC-Halbleiter zeichnen sich durch steile Schaltflanken und geringes Überschwingen aus und erreichen extrem niedrige Schaltverluste, die bei einer Schaltfrequenz von 30 Kilohertz (kHz) im Vergleich zu IGBTs bis zu 70 % niedriger sind (Abbildung 1). Dies erhöht die Systemeffizienz und führt zu geringeren elektromagnetischen Störungen (EMI), wodurch der Bedarf an Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und Netzfiltern minimiert wird.

Abbildung 1: Im Vergleich zu IGBTs (oben) reduzieren SiC-MOSFETs (unten) die Schaltverluste um mehr als 70 % bei einer Schaltfrequenz von 30 kHz. (Bildquelle: Microchip Technology)

Der Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen, hohen Spannungen und geringeren Strömen führt zu kleineren induktiven und kapazitiven Bauteilen. Dies reduziert das Gewicht, die Drahtgrößen und die Kosten der Stückliste. Im Vergleich zu Si-Transistoren sind SiC-Halbleiter bei höheren Temperaturen stabiler und haben eine bessere Wärmeableitung, was kleinere Kühlkörper ermöglicht, um das Volumen zu minimieren.

Aufgrund ihrer hohen Avalanche-Energie sind SiC-MOSFETs in Anwendungsfällen mit ungeklemmtem induktivem Schalten (UIS) robust. SiC-MOSFETs sind im Allgemeinen sehr zuverlässig, erreichen eine hohe Leistungsdichte und vertragen transiente Kurzschlüsse.

Schnelle, verlustarme SiC-Schottky-Sperrschichtdioden

Die SiC-Halbleiter von Microchip Technology bieten eine innovative Option für eine verbesserte Systemeffizienz, einen kleineren Formfaktor und eine höhere Betriebstemperatur in Anwendungen wie Photovoltaik-Wechselrichter, Batterieladung, Energiespeicherung, Motorantriebe, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs), Hilfsstromversorgungen und Schaltnetzteile (SMPS).

Die SiC-Schottky-Sperrschichtdioden (SBDs) von Microchip sind mit ausgewogenen Werten für Stoßstrom, Durchlassspannung, Wärmewiderstand, thermische Kapazität, niedrigen Sperrstrom und geringe Schaltverluste konzipiert.

SBDs sind in diskreten Ausführungen erhältlich, wie z. B. die Doppel-SBD MSC050SDA070BCT mit gemeinsamer Kathode und TO-247-3-Gehäuse, die eine repetitive Rückwärtsspannung (V_RRM) von 700 Volt und einen Durchlassstrom (I_F) von 88 Ampere (A) bewältigen kann. Das Vollbrückenmodul MSC50DC70HJ hat Schraubklemmen und kann 700 Volt und 50 A verarbeiten, während das dreiphasige Brückenmodul MSCDC50X1201AG für die Durchkontaktierung ausgelegt ist.

Robuste SiC-MOSFETs für hohe Spannungen und hohe Ströme

Neuere SiC-MOSFETs bieten eine hohe UIS-Fähigkeit von etwa 10 bis 25 Joule pro Quadratzentimeter (J/cm²). Ein typischer N-Kanal-Einzeltransistor wie der MSC080SMA120B4 ist in einem TO-247-4-Gehäuse untergebracht, schaltet 37 A bei maximal 1200 Volt und verfügt über einen separaten Kelvin-Source-Anschluss zur störungsfreien Gate-Steuerung.

SiC-MOSFET-Leistungsmodule sind ideal für Schaltwandleranwendungen im zweistelligen und dreistelligen Kilowattbereich. Das Halbbrückenmodul MSCSM120AM02CT6LIAG verfügt beispielsweise über Schraubklemmen und eine sehr geringe Streuinduktivität. Es enthält zwei N-Kanal-MOSFETs, die Lastkreisspannungen bis zu 1200 Volt und Dauerströme bis zu 947 A sicher schalten können.

Die dreiphasige Halbbrücke MSCSM120TAM31CT3AG kann Drain-Source-Spannungen (V_DSS) von bis zu 1200 Volt, Schaltströme (I_D) von bis zu 89 A und eine maximale Verlustleistung (P_D) von 395 Watt verarbeiten. Die integrierten SBD-Freilaufdioden zeichnen sich durch Null-Sperrverzögerung, Null-Durchlassverzögerung und temperaturunabhängiges Schalten aus.

Digital programmierbarer Gatetreiber

Alle für den Betrieb der SiC-Module mit niedriger Induktivität erforderlichen Hardware- und Softwarekomponenten sind im „Accelerated SiC Development Kit“ (ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01) von Microchip enthalten. Das Kit enthält eine gebrauchsfertige digitale Zweikanal-SiC-Gatetreiber-Einsteckkarte zur Steuerung von 1200-Volt-SiC-Modulen. Der Gatetreiber kann mit dem ICT (Intelligent Configuration Tool) von Microchip und einem Programmieradapter auf optimale Leistung programmiert werden.

Die Treiberplatine wird mit einer geeigneten Adapterkarte direkt auf das SiC-Modul gesteckt und bildet so eine kompakte Halbbrückeneinheit für den mehrstufigen Ein/Aus-Betrieb (Abbildung 2). Die Gatetreiber unterstützen eine moderne Schaltsteuerung, verfügen über einen robusten Kurzschlussschutz und sind vollständig per Software konfigurierbar, einschließlich +/-V_gs Gatespannungen.

Abbildung 2: Beim ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01 verbindet eine Adapterkarte ein SiC-Leistungsmodul mit einer Gate-Treiberkarte und bildet so eine kompakte Halbbrücken-Leistungsstufe. (Bildquelle: Microchip Technology)

Schnell und erfolgreich entwickeln

Eine weitere Möglichkeit, SiC-Halbleiter für Ihre Anwendung einfach, schnell und zuverlässig zu entwickeln, ist der MPLAB SiC Power Simulator von Microchip. Der auf der „stückweisen linearen elektrischen Schaltungssimulation“ (PLECS) basierende Schaltungssimulator hilft dabei, SiC-Bauelemente vor dem Bau eines Prototyps zu evaluieren. Er berechnet die Leistungsverluste und schätzt die Sperrschichttemperaturen für SiC-Bauelemente anhand von Labortestdaten für gängige Stromrichtertopologien wie DC/AC-, AC/DC- und DC/DC-Anwendungen.

Der Online nutzbare MPLAB SiC Power Simulator stellt Schaltungstopologien zur Auswahl, führt Sie durch die Komponentenauswahl, definiert Betriebsparameter und simuliert Signalkurven für Spannung, Strom, Verlustleistung und Temperatur (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Online nutzbare MPLAB SiC Power Simulator zeigt die Schaltungs- und Systemparameter auf der linken Seite und die simulierten Signalkurven auf der rechten Seite. Hier sind die Spannungs- und Stromkurven der Wiener 3-Phasen-Brückenschaltung dargestellt. (Bildquelle: Microchip Technology)

Microchip bietet viele dokumentierte SiC-basierte Referenzdesigns, einschließlich Designdateien, für einen schnellen Einstieg. Dazu gehören Stromversorgungen, Ladegeräte und elektrische Energiespeichersysteme für E-Mobilität und industrielle Anwendungen:

• Bidirektionale DC/DC-Brücke für 11 Kilowatt (kW) zum Laden von EVs
• Wiener 3-Phasen-PFC für 30 kW
• 3-Phasen-SiC-Power-Stack-Referenzdesign für 150 Kilovoltampere (kVA)

Fazit

Die SiC-Leistungshalbleiter von Microchip bieten eine hohe Systemleistung in Schaltwandleranwendungen im zweistelligen und dreistelligen Kilowattbereich und ermöglichen kompakte Designs mit hoher Leistungsdichte. Darüber hinaus profitieren Entwickler von abgestimmten Simulationswerkzeugen, konfigurierbaren digitalen Gatetreibern und umfangreichen Referenzdesigns, um mit ihren eigenen Schaltungsentwürfen schneller erfolgreich zu sein.