Siliziumkarbid (SiC) findet in letzter Zeit vermehrt Anwendung im öffentlichen Nahverkehr, bei Hilfsstromversorgungen, Ladegeräten und Antriebssystemen. All diese Anwendungen erfordern optimierte Kühlung, höhere Effizienz und kleinere Bauformen. Gemeinsamer Faktor ist der wachsende Bedarf an bandbreitenintensiven Geräten und Ökosystemen für Hochspannungsanwendungen.
Warum Breitband?
Dieser Artikel konzentriert sich auf Technologien, die die nachhaltige Elektrifizierung des Verkehrssektors ermöglichen, indem sie Systementwicklern die einfache, schnelle und sichere Integration von Siliziumkarbid (SiC) erleichtern.
Die Pandemie hat die Energiepolitik verschiedener Länder offengelegt: Einige setzen stark auf Kernenergie, während andere in erneuerbare Energien wie Solar- und Windkraft oder in nicht erneuerbare Energiequellen investieren.
Unabhängig von der Energiequelle ist ein nachhaltiger Umgang mit Energie unerlässlich. Im vergangenen Jahr präsentierten Erstausrüster (OEMs) emissionsfreie Brennstoffzellenzüge als Lösung, während andere mit Hybridsystemen experimentierten.
Aus Sicht der Leistungselektronik bestimmt die Wahl zwischen einem vollelektrischen und einem Hybridsystem die Durchbruchspannung des Leistungshalbleiters. Microchip bietet ein umfassendes Sortiment an SiC-Leistungshalbleitern mit Spannungen von 700 V bis 3300 V sowie optimierte Gate-Treiber, die die maximale Leistung dieser Bauelemente gewährleisten.
Fokus auf Effizienz:
Die Effizienz eines Systems ist definiert als Ausgangsleistung/Eingangsleistung; die Differenz geht als Wärme verloren. In Leistungshalbleitern tragen zwei Faktoren zu den Verlusten bei: Leitung und Schalten.
Stromführende Leistungshalbleiter werden als Silizium-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) bezeichnet, die einen höheren Anteil an Schaltverlusten aufweisen. SiC-MOSFETs hingegen lassen sich deutlich schneller ein- und ausschalten, was zu einer drastischen Reduzierung der Schaltverluste führt. 
Abbildung 1: Vergleich verschiedener Gate-Steuerungstechniken
Ist das aber das Maximum, das aus SiC herausgeholt werden kann? Scheinbar nicht. Mit digitalen Gate-Steuerungstechniken, wie z. B. erweitertem Schalten, lassen sich die Verluste noch weiter reduzieren.
Leistungsverbesserung durch SiC und optimierte Schalttechnologie:
In einer Vergleichsstudie wurde ein SiC-Leistungsmodul in einem Standard-Industriegehäuse (62 mm) getestet. Lediglich die Gate-Treiber wurden modifiziert, alle anderen Parameter blieben unverändert. Einer der Gate-Treiber nutzte eine optimierte Schalttechnologie, der andere war ein konventioneller Analogtreiber, der Gate-Widerstände zur Steuerung von dv/dt und di/dt verwendete. Die Analyse wird anhand einer von der Universität Arkansas entwickelten Kostenfunktion [2] dargestellt.
Die Pareto-Front-Analyse wird anhand der folgenden Gleichung für die Farbskala dargestellt.
Gewichtungsfaktor α = 0,5, β = 0,5; α + β = 1, wobei α die Schaltverluste und β der Stromüberschwinger Id im eingeschalteten Zustand bzw. der Spannungsüberschwinger Vds im ausgeschalteten Zustand ist.
Je niedriger die Kostenfunktion, desto besser die Gesamtleistung des SiC-Bauelements.
Erweiterte Stufeneinstellungen für optimale Leistung
: Einschaltschritt: 0,5 V 40 ns;
Ausschaltschritt 1: 3,5 V 240 ns;
Ausschaltschritt 2: 1,5 V 240 ns
Die rote Linie in beiden Diagrammen stellt die mit einem analogen Ansatz und ausschließlicher Änderung der Gate-Widerstände erreichbare Basislinie dar. Es existieren möglicherweise andere Gate-Widerstandswerte, die die Kurve besser beschreiben, aber basierend auf unserer Analyse von 10 Werten gehen wir davon aus, dass die hier dargestellte Extrapolation korrekt ist.
Einschaltergebnisse
Die folgende Grafik zeigt den Stromüberschwingwert in Ampere in Abhängigkeit von der Schaltverlustleistung in Millijoule.
Die beste Performance wird mit den erhöhten Schaltparametern 0,5 V, 40 ns und einem Einschaltwiderstand (Rg(on)) von 0,5 Ω erzielt. Im Vergleich zu einem analogen Regler mit einem Einschaltwiderstand (Rg(on)) von 1,1 Ω reduziert sich der Stromüberschwingwert um 8 % und die Einschaltverlustleistung (Eon) um 25 %.
Ein größerer Stromstoß führt in der Regel zu einem höheren Brummverhältnis und einer höheren Anstiegsgeschwindigkeit (di/dt), was zu Wechselwirkungen mit anderen Bereichen des Systems führen kann.
Abschaltergebnisse:
Die Abschaltergebnisse sind insofern interessant, als die Ergebnisse mit erweiterter Schaltung denen eines einfachen analogen Controllers mit Gate-Widerständen sehr nahe kommen. In einem System mit einer nominalen Betriebsspannung des Zwischenkreises von 750 V und einer maximalen Spannung von 800 V wurde ein 1200-V-Halbleiterbauelement verwendet, was eine Spannungsreserve von 400 V ergibt. Unter diesen Bedingungen wird deutlich, dass die erweiterte Schaltung deutlich bessere Ergebnisse liefert. Der beste Kompromiss wird mit der Konfiguration 3 V 240 ns, 1,5 V 240 ns und einem Gate-Widerstand (Rg(off)) von 1,1 Ω erzielt. Dies führt zu einer Reduzierung des Vds-Überschwingens um 10 % und der Ausschaltspannung (Eoff) um 14 % im Vergleich zu einem analogen Treiber mit einem Gate-Widerstand (Rg(off)) von 4,7 Ω.
Abbildung 4 Vergleich der Trennung bei Verwendung eines analogen Erregers mit Rg-Steuerung gegenüber einem digitalen Gate-Erreger mit erhöhter Schaltfrequenz.
Brummreduzierung:
Die obigen Diagramme zeigen die Schaltverluste in Abhängigkeit von Strom- oder Spannungsspitzen und geben einen Überblick darüber, was durch die Anpassung der Gate-Treiber erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil erhöhter Schaltfrequenzen ist die Reduzierung des Überschwingens an Vds und Vgs. Dies lässt sich durch die Steuerung der Schaltflanke beim Ein- und Ausschalten erzielen. Die Methode und ihre Vorteile werden in einem separaten Artikel detailliert erläutert.
dv/dt-Regelung in Antriebssystemen.
In Anwendungen, die Breitbandbauelemente zur Motoransteuerung benötigen, ist die dv/dt-Werte während des Schaltvorgangs ein kritischer Parameter. Ein hoher dv/dt-Wert kann die Motorwicklungen beschädigen, daher ist seine Begrenzung wichtig.
Mit einem analogen Gate-Treiber wird dies durch Erhöhung des Gate-Widerstands Rg(on) erreicht, was jedoch mit höheren Schaltverlusten einhergeht.
Es scheint eine starke Korrelation zwischen der Induktivität des SiC-Gehäuses und den Ergebnissen dieser laufenden Vergleichsanalyse zu bestehen.
Zusammenfassung:
Der Einsatz von SiC-MOSFETs führt zu deutlichen Effizienzsteigerungen (siehe Abbildung 1). Durch optimiertes Schalten lässt sich die Effizienz weiter steigern.
In unserer Fallstudie konnte unter gleichen Betriebsbedingungen gezeigt werden, dass optimiertes Schalten die gesamten Schaltverluste im Vergleich zu einem analogen Regler um 12 % reduziert.
Abbildung 5: IGBT vs. SiC vs. SiC mit erhöhter Schaltgeschwindigkeit
AUTOREN: Nitesh Satheesh – Technischer Ingenieur und Vipin Gaonkar – Leitender Ingenieur, Microchip Technology India Pvt Ltd
