Anders als bei Elektrofahrzeugen für Endverbraucher, bei denen die Reichweite pro Ladung im Vordergrund steht, können andere Anwendungsfälle im Transportwesen andere Prioritäten haben, die durch Verbesserungen der Hilfsaggregate (APU) berücksichtigt werden. Beispielsweise ist der Fahrgastraum in Stadtbahnen sehr wichtig, da mehr Kopffreiheit die Beförderung von zahlenden Fahrgästen ermöglicht. Die Zuverlässigkeit im Feldeinsatz ist für Fahrzeuge im Bergbau von höchster Bedeutung, da Ausfallzeiten täglich Millionen von Dollar kosten. Und in allen Anwendungsfällen ist der Fahrgastkomfort in einem Markt, der von konkurrierenden OEMs bedient wird, die anspruchsvolle Kunden ansprechen, entscheidend.
Die hohen Schaltverluste von Silizium-IGBTs haben Verbesserungen bei APUs im Transportwesen bisher behindert. Durch die Begrenzung der Schaltfrequenz legen IGBTs die Mindestgröße der größten physischen Komponenten der APU fest: des Trenntransformators und des Kühlkörpers. Mit SiC kann die Größe des Trenntransformators durch Schalten mit höheren Frequenzen drastisch reduziert werden; und da die Schaltverluste um 80 % oder mehr reduziert werden, können auch die Kühlkörper kleiner dimensioniert werden. Darüber hinaus können die Schaltfrequenzen der APU außerhalb des hörbaren Bereichs liegen, wodurch das für Fahrgäste störende hohe Pfeifen eliminiert wird. Schließlich ist die Effizienz unerlässlich, da die APU kontinuierlich und oft unter geringer Last arbeitet. Die Leitungsverluste von SiC-MOSFETs sind unter Teillastbedingungen geringer als die von konkurrierenden IGBTs.

Ist SiC den Anforderungen gewachsen?
Die Robustheit von SiC-MOSFETs unter verschiedensten Bedingungen ist für APUs, die sowohl Komfort- als auch Notstromversorgungen bereitstellen, unerlässlich. Es gilt, Folgendes zu überprüfen: 1) die Stabilität des MOSFET-Gate-Oxids, ein bekanntes Problem bei SiC-MOSFETs; 2) die Lebensdauer des Gate-Oxids; 3) die Stabilität der MOSFET-Body-Diode; und 4) Maßnahmen zur Fehlertoleranz, wie z. B. Lawinenfestigkeit und Kurzschlussfestigkeit.

Integrität des Gate-Oxids:
Verschiebt sich die Schwellenspannung, ändert sich die Leistung des Bauelements (z. B. steigt der Einschaltwiderstand), was zu unregelmäßigem Systemverhalten und potenziellen APU-Ausfällen führen kann. Abbildung 1 zeigt, dass die Schwellenspannungsdaten (Vth) von SiC-MOSFETs in Serienqualität nach 1000 Stunden Belastung bei 175 °C keine signifikanten Änderungen aufweisen sollten.
Abbildung 1: Schwellenspannung von SiC-MOSFETs in Serienqualität vor und nach Hochtemperatur- (links) und positiver (rechts) Gate-Vorspannung.
Die Lebensdauer des Gate-Oxids lässt sich vorhersagen, indem Proben mittels erhöhter Temperatur und eines elektrischen Feldes bis zum Ausfall beschleunigt werden. Die Einschaltenergie wird für jeden Ausfallmodus ermittelt, und die Lebensdauer des Oxids wird mithilfe der Arrhenius-Gleichung extrapoliert (siehe Abbildung 2). Das Gate-Oxid eines SiC-MOSFETs in Serienqualität kann bei hoher Spannung deutlich über 100 Jahre halten und gewährleistet so den zuverlässigen Betrieb der APU auch über ihre geplante Lebensdauer hinaus.

Abbildung 2. Beispiel für die extrapolierte Lebensdauer des Oxids eines SiC-MOSFET in Serienqualität von Microchip.

Stabilität der Body-Diode:
Im Gegensatz zum IGBT kann der SiC-MOSFET über seine intrinsische Body-Diode Sperrstrom leiten. Bei einigen Bauelementen verschlechtert sich diese Diode mit der Zeit, was zu einem Anstieg des Drain-Source-Widerstands (RDSon) und einer höheren Wärmeentwicklung als geplant führt. Abbildung 3 zeigt die IV-Kennlinien der Body-Diode und den RDSon des MOSFETs im eingeschalteten Zustand nach vielen Stunden konstanter Vorwärtsspannung [1]. Es wurden große Unterschiede zwischen verschiedenen Herstellern beobachtet. Bei einem Hersteller traten deutliche Verschlechterungen auf; bei einem anderen wurden die Bauelemente unbrauchbar. Die ausgewählten Bauelemente sollten keine wahrnehmbaren Veränderungen aufweisen. Der Einsatz eines SiC-MOSFETs mit einer stabilen Body-Diode verbessert die Zuverlässigkeit und senkt die Kosten durch den Wegfall der antiparallelen Diode.

Abbildung 3. RDSon vor und nach der Spannungsmessung von handelsüblichen SiC-MOSFETs, die die unterschiedliche Qualität der intrinsischen Body-Dioden von drei Herstellern verdeutlichen ^[1].

Feldüberleben: Kurzschluss und Lawinen.
Transport-APUs sind anfällig für eine Vielzahl von Ausfällen, weshalb SiC-MOSFETs so konstruiert sein müssen, dass sie diesen Ereignissen sicher standhalten und vor und nach Ausfällen eine gleichbleibende Leistung gewährleisten.

Die Kurzschlussfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines MOSFETs, einen kurzzeitigen Kurzschluss des Zwischenkreises zwischen Drain und Source zu überstehen. Die MOSFET-Kanäle sind optimiert, sodass ein entsprechend ausgelegtes Bauelement Spitzenströme sicher über die Chipfläche verteilen kann. Abbildung 4 zeigt die Kurzschlussfestigkeitszeiten (SCWT) von serienmäßigen SiC-MOSFETs; das Beispiel von Microchip liegt zwischen 3 und 14 Mikrosekunden und ist abhängig von der Zwischenkreisspannung und der angelegten Gate-Source-Spannung (V_GS). Dies ist für viele handelsübliche Gate-Treiber ausreichend. Ein fortschrittlicher Treiber, wie er im nächsten Abschnitt beschrieben wird, erweitert die Kurzschlusserkennung um intelligente Funktionen.

Abbildung 4. Kurzschlussfestigkeit von SiC-MOSFETs in Serienfertigung.
Die Lawinenfestigkeit stellt noch höhere Anforderungen: Der Laststrom wird schlagartig in den MOSFET eingeleitet und treibt die Drain-Source-Spannung bis zum Durchbruch an. Anders als bei einem Kurzschluss werden die MOSFET-Kanäle nicht verstärkt; der Lawinenstrom überlastet den Chiprand und treibt das Bauelement schnell an seine thermischen Grenzen. Die
Lawinenfestigkeit eines Bauelements wird mittels wiederholtem, ungeklemmtem induktivem Schalten (R-UIS) ermittelt. Abbildung 5 zeigt die dielektrische Durchbruchzeit (TDDB) kommerzieller SiC-MOSFETs vor und nach 100.000 R-UIS-Zyklen. Viele Hersteller geben die Oxidfestigkeit an, doch die Möglichkeit, bis zum Vierfachen der Festigkeit zu testen, zusammen mit der Stabilität von RDSon und Drain-Source-Leckstrom [2], unterstreicht die Fähigkeit von SiC-MOSFETs, selbst anspruchsvollste elektrische Überlastbedingungen sicher zu bewältigen.

Abbildung 5. Zeitabhängiger dielektrischer Durchschlag vor und nach einem wiederholten Lawinenausfall bei handelsüblichen SiC-MOSFETs von vier Herstellern.

Schnelleres Schalten dank induktivitätsarmer Gehäuse.
Hohe Flankensteilheiten in Stromversorgungssystemen führen zu erhöhten Schaltverlusten, übermäßigen Überspannungsspannungen, nicht normkonformer elektromagnetischer Interferenz (EMI) und potenziell zu APU-Ausfällen. Die notwendigen Maßnahmen zur Reduzierung der MOSFET-Geschwindigkeit lassen Entwickler oft die Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) hinterfragen. Das
induktivitätsarme SP6LI-Gehäuse von Microchip zeigt, wie diese Probleme gelöst werden können. Die Phasenstufenkonfiguration führt zu einer parasitären Induktivität von weniger als 3 Nanohenry im Leistungskreis. Interne Designoptimierungen gewährleisten identische Schaltzeiten und Stromverteilung. Die thermische Leistung lässt sich durch die Verwendung von Siliziumnitridkeramik (alternativ ist auch Aluminiumnitrid erhältlich) verbessern. Als Basisplattenoptionen stehen Kupfer und AlSiC zur Verfügung. Extern ermöglichen die Leistungsanschlüsse eine induktivitätsarme Verbindung zum Zwischenkreis und eine optimale Parallelschaltung in zwei Ausrichtungen. Mit dem SP6LI können Entwickler SiC-MOSFETs mit höherer Geschwindigkeit, maximaler Effizienz und reduzierten elektromagnetischen Störungen ansteuern, wodurch APUs verkleinert und gleichzeitig EMV-bedingte Ausfälle vermieden werden.

Gate-Treiber optimieren APUs.
Leistung und Zuverlässigkeit von APUs lassen sich durch programmierbare digitale Gate-Treiber optimieren, die eine präzise Anpassung von Überlaufspannung und Schaltverlusten im laufenden Betrieb ermöglichen. Dadurch können APU-Entwickler Kosten und Größe durch den Einsatz von Bauteilen mit niedrigerer Spannung und kleineren Kühlkörpern reduzieren und stundenlanges Löten mit einem Lötkolben und einer Vielzahl von Gate-Widerständen einsparen.
Die Auswirkungen des erweiterten Schaltvorgangs sind in Abbildung 6 dargestellt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Abschalten (links) beginnt das erweiterte Abschalten mit einer Einschaltspannung von 20 V, geht dann für eine festgelegte Verweilzeit auf einen vom Benutzer programmierten Zwischenpegel und schließlich in den Abschaltzustand von -5 V über. Die Auswirkungen sind aufgrund der extrem niedrigen Induktivität des SP6LI gering; Ergebnisse mit einem stärkeren Einfluss wurden bereits veröffentlicht ^{[2, 3}]. Darüber hinaus werden Kurzschlussereignisse schnell beendet, wodurch Spitzenspannung und -strom um 60 % bzw. 10 % reduziert werden (Abbildung 7).

Abbildung 6. Grafische Benutzeroberfläche für den programmierbaren Türcontroller AgileSwitch™ und Abschaltwellenformen bei Verwendung von (links) konventionellem Schalten und (rechts) erweitertem Schalten.

Abbildung 7. Demonstration, wie die erweiterte Schaltung (rechts) die Spitzenspannung und den Spitzenstrom während eines Kurzschlussereignisses im Vergleich zur herkömmlichen Schaltung (links) reduzieren kann.

SiC-Systemlösungen,
die von der Dual-Pulse-Evaluierung zur Serienproduktion übergehen möchten, benötigen beschleunigte Entwicklungskits, die die drei Komponenten einer vollständigen SiC-Systemlösung für Transport-APUs vereinen: robuste SiC-Leistungsbauelemente, ein induktivitätsarmes Leistungsgehäuse und einen intelligenten Gate-Treiber. Abbildung 8 zeigt, wie die Lösung von Microchip in eine APU-Schaltung integriert werden kann.

Abbildung 8: Vorgeschlagene Implementierung der ASDAK+ Vollbrücken-Phasenverschiebung von Microchip im DC-DC-Teil einer Transport-APU. ^[4]

Zusammenfassung:
Der Einsatz von SiC-MOSFETs in Hilfsenergieeinheiten (APUs) für Transportfahrzeuge bietet gegenüber Silizium-IGBTs bahnbrechende Vorteile hinsichtlich Größe, Gewicht, Effizienz und Rauschen. Diese Vorteile lassen sich jedoch nur bei hoher Zuverlässigkeit im Feldeinsatz realisieren. Dies wird durch robuste SiC-MOSFETs, ein Gehäuse mit geringer Induktivität und einen intelligenten Gate-Treiber erreicht, der die flexible Performance des SiC optimal nutzt. Entwickler können nun die Herausforderungen im APU-Design für Transportfahrzeuge mit kompletten SiC-Systemlösungen bewältigen, die gleichzeitig Größe, Rauschen und Feldausfälle von APUs reduzieren.

Referenzen
[1] Agarwal, A. und Kang, M., persönliche Mitteilung, 2020.
[2] Speer, K., Satheesh, N., Kashyap, A. und Bontemps, S., „Streamlined SiC Development With a Total System Solution“, IEEE Power Electronics Magazine, Bd. 28-35, 2020.
[3] Satheesh, N., Robins, C. und Fender, A., „The State of Intelligent SiC MOSFET Gate Drivers“, Bodo's Power Systems, S. 30-33, Februar 2018.
[4] Satheesh, N., „Silicon carbide MOSFETs: Handle with care“, in Proc. Applied Power Electronics Conference (APEC), San Antonio, Texas, USA, 2018.
[5] Hayashiya, H. und Kondo, K., „Recent Trends in Power Electronics Applications as Solutions in Electric Railways“, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, Bd. 15: 632-645, 2020.

Autor: Von Kevin Speer, Nitesh Satheesh und Marc Rommerswinkel, Microchip Technology