CoolSiC-MOSFETs Schritt für Schritt SiC-Designs etablieren

CoolSiCMOSFETs sind für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar.
Step by Step findet SiC in immer mehr Applikationen Einzug.

Um SiC für eine Vielzahl von Anwendungen wie Solarwechselrichter, USVs und Ladesysteme rentabel zu machen, hat Infineon die CoolSiC-MOSFETs entwickelt. Ein Vorteil: die einfache Implementierung von Treibern.

Erfahrungsgemäß kommen neue Technologien stets in einigen wenigen Anwendungsnischen besonders früh zum Einsatz. Das Gros der Anwendungen wird nachgezogen, wenn das Preis-/Leistungs-Verhältnis einer neuen Technologie so weit an Attraktivität gewonnen hat, dass sich – abhängig vom Systemwert – der Wechsel zu einer Technologielösung mit höherer Leistung lohnt. Neben den bereits gut etablierten Designs, bei denen SiC-Dioden in Hochleistungsnetzteilen eingesetzt werden, könnten in nächster Zeit vor allem Solarwechselrichter und Boost-Schaltungen mit SiC-Bausteinen ausgestattet werden.

Infineon hat für solche Anwendungen die CoolSiC-MOSFET-Technologie entwickelt, die gerade in Umrichteranwendungen eine höhere Leistungsdichte als bisher gestattet sowie neue Möglichkeiten zur Steigerung von Effizienz und Schaltfrequenz eröffnet. Aber auch USVs und Ladegeräte könnten als Applikationen bald folgen.

Generell dürften für die CoolSiC-MOSFET-Technologie – langfristig gesehen – auch traditionellere Bereiche wie Motorantrieb, Traktion und letztendlich sogar Automobilanwendungen infrage kommen. Die Vorteile von SiC und mögliche Zielanwendungen sind in Bild 1 dargestellt.

CoolSiC-MOSFET-Lösungen

Der CoolSiC-Chip mit einem RDSon von 45 mΩ ist für sich allein genommen schon ein Produkt, das für den Umstieg auf SiC in Leistungshalbleitern spricht. Insbesondere für schnelle Schaltbauteile wie Hochgeschwindigkeits-IGBTs und Siliziumkarbidtransistoren ist das Gehäuse aber von ähnlich großer Bedeutung wie der Chip. Deutlich werden die Vorteile von optimierten Gehäusen beispielsweise bei der Verwendung eines zusätzlichen Kelvin-Source-Kontakts. Dieser bewirkt, dass die Gate-Steuerspannung nicht durch den Laststrom im Stromversorgungspin dynamisch reduziert wird. Das Ergebnis ist ein um bis zu 40 % geringerer Einschaltverlust. Hierfür verwendet Infineon in diesem konkreten Fall das TO-247-Gehäuse mit 4 Pins beim IMZ120R045M1 anstelle des Standard-TO-247-Gehäuses beim IMW120R045M1, mit dem aber gegenüber bisherigen Lösungen auch schon deutliche geringere Einschaltverluste ermöglicht werden.

Neben diesen beiden diskreten Gehäusen wird auch das etablierte und flexibel einsetzbare Easy1B-Leistungsmodul verwendet. Es dient zur Implementierung einer Halbbrückenkonfiguration und insbesondere einer für Photovoltaikanwendungen optimierten Booster-Lösung mit 1200-V-CoolSiC-Schottky-Dioden und Siliziumdioden mit niedrigem UF für Bypass und Schutz gegen Polaritätsumkehrung. Das Layout des Moduls ist leiterplattenfreundlich und weist darüber hinaus eine sehr niedrige Streuinduktivität im einstelligen nH-Bereich auf. Ein Vorteil beim Design von Leistungsmodulen ergibt sich vor allem durch das flexible Pinraster der Easy-Module.

Das Booster-Modul ist für die Verwendung in MPP-Tracker-Systemen mit etwa 20 kW und stark verringerter Größe vorgesehen. Einen Überblick über die momentan erhältlichen CoolSiC-Produkte gibt Tabelle 1. Die CoolSiC-Familie soll jedoch noch weiter ausgebaut werden.

Effizienz, Leistungsdichte und Wirtschaftlichkeit sind die wichtigsten Faktoren für die Verwendung von alternativen Halbleitermaterialien für Leistungsdioden und Transistoren. Hybridleistungsmodule mit IGBTs und Siliziumkarbiddioden sind bei Leistungsumrichtern mit hohen Schaltfrequenzen (>10 kHz) wie Solarwechselrichtern und USV-Systemen inzwischen gang und gäbe. Um die verschiedenen Anforderungen abzudecken, sind CoolSiC-Schottky-Dioden in verschiedenen diskreten Gehäusen und unterschiedliche Leistungsmodule mit EasyPACK- und EconoPACK-Gehäusen verfügbar.

Nach den Hybridmodulen werden jetzt auch höhere Schaltfrequenzen und damit eine höhere Umrichtereffizienz durch den Einsatz von SiC-Modulen mit SiC-Dioden und Transistoren verwirklicht. Bild 2 zeigt, wie sich die Verluste bei der Verwendung von Hybrid- und vollständigen SiC-Lösungen verringern.

Die zusätzliche Verringerung der Gesamtverluste von etwa 50 Prozent durch den Wechsel von einer hybriden auf eine vollständige SiC-Lösung ist insbesondere auf die geringeren Ausschalt- und Durchlassverluste zurückzuführen.

Damit die derzeit verfügbaren SiC-MOSFETs in elektronische Leistungssysteme implementiert werden können, um also die grundlegenden Vorteile von SiC-MOSFETs nutzen zu können, müssen Entwickler einige Punkte beachten. Denn die Mehrzahl der SiC-MOSFETs benötigt spezielle Treiber in Kombination mit speziellen Treiberspannungen. Dieser zusätzliche Design-Aufwand ist einer der Gründe, warum sich SiC-MOSFETs derzeit noch nicht am Markt durchsetzen konnten. Der neue CoolSiC-MOSFET hingegen kann mit den für IGBTs üblichen Treiberspannungen von –5 V/15 V oder –8 V/15 V betrieben werden. Das macht die Implementierung von Standard-Treibern wie beispielsweise dem EiceDRIVER Compact einfacher.