LeistungsModul mit SiC-Schaltern Ist SiC tatsächlich besser?

Seit kurzem gibt es nun auch Leistungsschalter aus Siliziumkarbid (SiC). Doch halten sie wirklich, was sie versprechen? Ein Vergleich zwischen identischen Leistungsmodulen, zum einen ausgestattet mit Siliziumtransistoren, zum anderen mit SiC-Bausteinen, soll diese Frage klären.

Das Modul, das für den Vergleich in Betracht gezogen wurde, ist das »flowMNPC 0« von Vincotech. In diesen Modulen ist die so genannte MNPC-Topologie (Mixed Voltage Neutral Point Clamping, Bild 1) realisiert. Zielapplikationen für diese Art von Schaltung sind sowohl Solarumrichter als auch unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Die MNPC-Topologie ist eine Variante der 3-Level-Topologie. Zusammen mit der Standard-NPC-Schaltung bilden sie heute die bevorzugten Topologien für Anwendungen mit hoher Anforderung an Effizienz.

Der Name »3-Level« ergibt sich bei dieser Topologie aus der Möglichkeit, am Ausgang neben der positiven und negativen Versorgungsspannung auch noch einen dritten Spannungspegel zu generieren, der normalerweise genau zwischen den beiden genannten liegt.

Gegenüber der NPC-Topologie weist die MNPC-Topologie bei Anwendungen wie zum Beispiel Solarumrichtern folgende Eigenschaften auf:

  • Bei moderat hohen Schaltfrequenzen um 16 kHz stellen die Schaltverluste nicht den dominierenden Anteil an den Verlusten dar. Zwar besitzt die MNPC-Topologie aufgrund des Einsatzes von 1200-V-Schaltern generell höhere Ausschaltverluste im Vergleich zur NPC-Topologie, dennoch ist der Unterschied bei 16 kHz nicht signifikant.
  • Bei hohem Modulationsindex beziehungsweise großem Tastverhältnis für die 1200-V-Transistoren weist die MNPC-Topologie kleinere Durchlassverluste als die NPC-Topologie auf. Da Solarumrichter und USVs in der Regel versuchen, die Zwischenkreisspannung möglichst gut auszunutzen, ist der Modulationsindex meistens hoch.

Ein Vergleich zwischen den beiden Topologien (Bild 2) zeigt, dass bei 16 kHz (grüne Linie) die MNPC-Topologie (links) einen um zirka 0,5% höheren Wirkungsgrad hat als die NPC-Topologie (rechts).

SiC-basierte Schottky-Dioden haben sich in den letzten Jahren erfolgreich in schnell schaltenden Anwendungen wie PFC (Power Factor Correction) durchgesetzt. Trotz höherer Schaltfrequenz sinkt der Wirkungsgrad einer solchen Schaltung aufgrund der ausgezeichneten Serrverzögerungseigenschaft der Diode nicht. Gleichzeitig entfallen Systemkosten durch den Einsatz von kleineren magnetischen Bauteilen.

Anders stellt sich das heute noch bei SiC-basierten Schaltern dar. In den heutigen Solarumrichtern und USV-Systemen werden hauptsächlich siliziumbasierte IGBTs eingesetzt. Diese besitzen zwar eine niedrige Durchlassspannung, verursachen jedoch durch ihren Tail-Strom hohe Ausschaltverluste. Der Wunsch der Entwickler ist daher ein Schalter, der sowohl hohe Sperrspannung besitzt als auch niedrige Durchlass- sowie Schaltverluste. SiC ebnet den Weg zu solch einem idealen Schalter.

JFET oder MOSFET?

Es existieren zahlreiche Konzepte, wie man einen SiC-Schalter realisieren kann. Es kristallisieren sich jedoch zwei Varianten heraus: SiC-MOSFET und -JFET. Der SiC-MOSFET verhält sich ähnlich wie sein siliziumbasierendes Pendant, ist kompatibel zu den üblichen Gate-Treibern und besitzt einen kleinen Temperaturkoeffizienten. Jedoch stellt die Zuverlässigkeit des Gate-Oxids noch einen kritischen Punkt dar. Der JFET kann sowohl als »Normally-off«- als auch als »Normally-on«-Schalter aufgebaut sein. Diese sind aufgrund ihrer diodenähn-lichen Gate-Source-Charakteristik nicht zu den Standard-Gate-Treibern kompatibel. Da JFETs kein Gate-Oxid besitzen, sind diese aus heutiger technologischer Sicht zuverlässiger.

Um die letzte Hürde zu nehmen und den Systemwirkungsgrad bis auf 99% zu erhöhen, werden Normally-off-SiC-JFETs von der Firma SemiSouth in der neuen Modulfamilie eingesetzt. Die Schalter besitzen sowohl eine niedrige Durchlassspannung als auch kleine Schaltverluste. Bis zu vier dieser Chips werden in dem Modul parallel geschaltet und erreichen somit einen RDS(on) von 25 mΩ bei Raumtemperatur. Da JFETs unipolare Bauelemente sind, weisen sie eine ähnlich gute Charakteristik beim Ausschalten auf wie normale siliziumbasierende MOSFETs. Kombiniert man die MNPC-Topologie mit SiC-JFETs für die schnellen Hochspannungsschalter, kann man die maximale Effizienz erreichen.

Wie bereits erwähnt, besitzen JFETs eine diodenähnliche Gate-Source-Charakteristik. Zum Einschalten eines Normally-off-JFETs muss eine positive Spannung in Flussrichtung dieser Diode angelegt werden. Um die bestmöglichen Eigenschaften des JFETs zu erhalten, sollte dieser in der Nähe der Durchlassspannung der Diode betrieben werden. Da die Durchlassspannung stark von Bauteil zu Bauteil und mit der Temperatur schwankt, sollten JFETs im Gegensatz zu IGBTs oder MOSFETs mit einer Stromquelle angesteuert werden.

Um den Durchlassstrom zu begrenzen, muss ein Standard-Gate-Treiber angepasst werden. Eine Möglichkeit besteht darin, einen kleinen Gate-Widerstand zum Schalten und einen großen während der Leitendphase zu verwenden. Ein Beispiel eines solchen Gate-Treibers kann dem Datenblatt für JFETs vom Typ »SJEP120R100« des Herstellers SemiSouth entnommen werden (Bild 3).

Die neue Modulfamilie von Vincotech besitzt getrennte Ausgänge für beide Kommutierungskreise (siehe Bild 1). Somit ist das du/dt beider Kreise voneinander getrennt. Diese Maßnahme reduziert das Risiko des parasitären Einschaltens (Einschalten über Miller-Kapazität bei hohem du/dt) und damit verbundenen zusätzlichen Einschaltverlusten.