Nachlese APEC 2017 SiC startet in den Massenmarkt

Vom 26. bis 30. März 2017 fand die Applied Power Electronics Conference (APEC) im Tampa Convention Center statt.
Vom 26. bis 30. März 2017 fand die Applied Power Electronics Conference (APEC) im Tampa Convention Center statt.

Bei neuen Technologien braucht es einen langen Atem. SiC-MOSFETs sind zwar seit 2012 erhältlich, doch gibt es signifikante »Design-Wins«. Neben den Bauteilthemen waren auf der diesjährigen APEC die Wandlertopologien ein heiß diskutiertes Thema: Braucht es neue, oder haben wir bereits alle nötigen?

Vom 26. bis 30. März 2017 fand die Applied Power Electronics Conference (APEC) im Tampa Convention Center statt. Eine Lektion, die ich auf dort gelernt habe, ist, dass es immer etwa zehn Jahre dauert, bis sich eine neue Technologie am Markt etabliert. So betrachtet liegt Siliziumkarbid voll im Zeitplan, denn auf der Konferenz konnte Wolfspeed einige größere Design-Wins verkünden, beispielsweise bezogen auf eine Schnellladestation für Elektromobile.

Auch in anderer Hinsicht startet SiC in den Massenmarkt: Das Konsortium Power America hat mit dem Pilotkunden Monolith Semiconductor sowie mit X-Fab ein Fabless-Modell für SiC-MOSFETs auf die Beine gestellt. Noch im Sommer diesen Jahres will Monolith seine ersten Bauteile verfügbar machen. In einem dreistündigen Seminar am Sonntag zeigte Monolith Semiconductor mithilfe beschleunigter Stresstests, dass bei +200 °C und einer elektrischen Feldstärke von 6 MV/cm das Gate-Oxid über hundert Jahre halte. Dies lege den Schluss nahe, der Verschleiß am Gate-Oxid sei kein signifikanter Faktor für Feldausfälle, solang SiC-MOSFETs innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben würden. Mehr über das Modell von Monolith Semiconductor erfahren Sie in einer der kommenden Ausgaben.

Zu den Höhepunkten jeder APEC zählt Ray Ridley und sein Seminar zu magnetischen Bauteilen. Vielleicht 250 Anwesende hingen geradezu an seinen Lippen. Selbst in der Kaffeepause und nach dem Intensivseminar wurde er mit Fragen bestürmt. Unverhohlen kritisiert er die Hersteller von Magnetmaterialien dafür, dass bei den Datenblättern jeder sein eigenes Süppchen kocht, sodass Kernmaterialien selbst für erfahrene Entwickler nur sehr schwierig zu vergleichen seien, für Ungeübte gar nicht. Fürchten die Unternehmen etwa, dass offenbar wird, wie schlecht ihre Produkte sind?

Bauelemente mit Magneteigenschaften sind komplex. So präsentierte Ridley am Ende seines dreistündigen Seminars etwas genauere Modelle eines einfachen Trafos und einer Spule. Ergebnis: Der Transformator umfasst ein Netzwerk von über 25 diskreten Elementen, eine Spule immerhin noch ein Netzwerk von über zehn (Bild 1). Im Anschluss an das Seminar empfing mich Dr. Ridley zum Interview. Was er mir sagte, werden Sie in einer der kommenden Ausgaben lesen können.

Google Little Box – Reloaded

Am Montag gewährten Prof. Johann Kolar und sein Team von der ETH Zürich Einblick in ihren Entwurf, der es bis ins Finale der Google Little Box Challenge geschafft hat. Als besonders herausfordernd erwies sich das Eingangsteil, denn die Regularien schrieben vor, die DC-Quelle müsse einen Innenwiderstand von exakt 10 Ω haben. Deswegen war eingangsseitig ein Energiespeicher nötig. Elektrolytkondensatoren jedoch sind nicht wirklich klein, außerdem trocknen sie aus. Gibt es da vielleicht eine bessere und vor allem kompaktere Lösung? Nach einigem Herumprobieren mit verschiedenen Topologien entschied sich die Arbeitsgruppe für einen »Full Active Power Pulsation Buffer«.

Danach ging es darum, den Umrichter an sich zu entwerfen. Das Rennen bei den Forschern der ETH Zürich machte eine Zero-Voltage-Switching-Topologie mit TCM-Ansteuerung (Triangle Current Mode) und 4D-Interleaving (Bild 2). Dabei werden bis zu zwei Brückenzweige pro Phase ineinander verschachtelt so angesteuert, dass bei kleiner Leistung nur ein Brückenzweig pro Phase moduliert wird. Steigt die Leistung über einen gewissen Level, wird die Last auf zwei parallele Brückenzweige verteilt. Wegen der TCM-Ansteuerung variiert die Schaltfrequenz, in diesem Fall zwischen 250 kHz und 1 MHz.

Abschließend stellte Prof. Kolar die Systeme einiger anderer Finalisten vor. So kommt der Umrichter von Robert Pilawa (ECE Illinois) völlig ohne induktive Bauelemente aus. Er nutzt einen siebenstufigen Flying-Capacitor-Umrichter mit 100-V-GaN-Schaltern, der allerdings außerordentlich komplex anzusteuern ist. Das bestätigt die Aussage von Prof. Leo Lorenz, dass Multilevel-Topologien auch für niedrigere Spannungen interessant seien.

Dass es auch recht einfach geht, zeigte ein Team des Fraunhofer IISB. Es nutzte eine bewährte, einfache Topologie mit 900-V-SiC-MOSFETs bei einer festen Schaltfrequenz von 140 kHz. Auch das ist ein klares Indiz dafür, dass man mit einfachen Topologien und recht moderaten Schaltfrequenzen ansehnliche Leistungsdichten erreichen kann.