Si vs. SiC Wie leistungsfähig sind SiC-MOSFETs?

Leistungswandler mit Siliziumkarbid-Bauelementen versprechen im Vergleich zu entsprechenden Silizium-Komponenten eine Steigerung der Leistungsdichte. Im Frühjahr 2013 kam die zweite Generation von SiC-MOSFETs auf den Markt. Doch sind diese Bauelemente gegenüber Si-Bausteinen wirklich leistungsfähiger? Und können sich SiC-Bauelemente am Markt durchsetzen?

Photovoltaik-Wechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Elektrofahrzeuge zählen heute zu den Leistungswandler-Applikationen, in denen sich die spezifischen Merkmale von SiC als besonders attraktiv erweisen. Um die Gesamtkosten und das Gewicht zu reduzieren, kommt es auf eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Schaltfrequenz an. Auch die Kühlung lässt sich so möglicherweise einfacher und kostengünstiger realisieren. Thema dieses Artikels ist ein hart geschalteter, im Interleaved-Modus arbeitender Gleichspannungswandler mit 10 kW Leistung. Er wurde eigens für den Zweck entwickelt, das Leistungssteigerungs- und Kostensenkungs-Potenzial einer SiC-Lösung zu demonstrieren. Die SiC-Komponenten erlauben eine Anhebung der Schaltfrequenz bis auf 100 kHz, was einen Wirkungsgrad von bis zu 99,3 % und geringere Materialkosten ermöglicht. Die Schalteigenschaften, der Wirkungsgrad und die thermischen Eigenschaften dieser Lösung werden mit einem schnellen H3-IGBT-Design auf Siliziumbasis verglichen.

Der Interleaved-Aufwärtswandler im Detail

Für das Design dieses ausschließlich mit SiC-Bauelementen bestückten Interleaved-Aufwärtswandlers mit 100 kHz Schaltfrequenz sollten der SiC-MOSFET und die Induktivität genauer untersucht werden. Bild 1 zeigt die Blockschaltung des Wandlers. Jeder Kanal dieser im Interleaved-Modus arbeitenden Wandlerarchitektur ist mit einem SiC-MOSFET des Typs C2M0080120D (1.200 V, 20 A, 80 mΩ) und einer SiC-Schottkydiode des Typs C4D10120D (1.200 V, 10 A) von Cree bestückt, um die Aufwärtswandler-Funktionen mit 10 kW Leistung zu implementieren. Mit den SiC-Leistungshalbleitern ist eine hohe Schaltfrequenz möglich und daraus resultierend eine hohe Leistungsdichte. Überdies verursacht das SiC-Konzept keinen zusätzlichen Schaltungsaufwand für das Soft-Switching - z.B. Schalten im Spannungs-Nulldurchgang, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Es handelt sich um eine schlichte Interleaved-Topologie, die sich durch einen reduzierten Bauteileaufwand auszeichnet.

Dem Design der Induktivität kommt wegen des angestrebten hart geschalteten Betriebs eine große Bedeutung für die Kosten und die Leistungsdichte zu. Wegen der in High-Speed-IGBTs entstehenden Schaltverluste ist die Schaltfrequenz konventioneller Siliziumsysteme auf maximal 20 kHz bis 40 kHz begrenzt. Mit SiC-MOSFETs lässt sich die Schaltfrequenz dagegen auf bis zu 100 kHz anheben, ohne dass Abstriche am Systemwirkungsgrad gemacht werden müssen. Ist eine effektive Schaltfrequenz von 100 kHz möglich, so muss die Drossel gemäß der Gleichung eine geringere Induktivität aufweisen. Größe, Gewicht und Kosten der Drossel gehen dadurch entscheidend zurück, während der Gesamtwirkungsgrad über der auf 20 kHz beschränkten IGBT-Lösung liegt. In (Tabelle 1) sind die Parameter einer 5-kW-Drossel für eine Si-IGBT-Lösung mit 20 kHz Schaltfrequenz und für eine SiC-MOSFET-Lösung mit 100 kHz Schaltfrequenz gegenübergestellt (Bild 2). Für die 10-kW-Lösung werden zwei Drosseln verwendet.

L space equal space fraction numerator U subscript i n comma m i n end subscript space cross times space D subscript m a x end subscript over denominator f subscript s space cross times space italic capital delta i end fraction

  Si-IGBT SiC-MOSFET
 Schaltfrequenz (kHz) 20 100
 Induktivität bei Nennstrom (μH) 1.100 400
 Kernmaterial Fe-Si Fe-Si-Al
 Wicklungsart AWG 8 * 1 * 98 Ts AWG 12 * 1 *55 Ts
 Abmessungen (mm) 140 × 108 × 68 D: 63 H: 26
 Masse (kg) 2,3 0,4
 Gleichstromwiderstand (mΩ) 22 25
 Wicklungsverlust (W) 6,1 7,5
 Kernverlust (W) 13,0 15,8
 Referenzpreis (US-Dollar) 31 12
Tabelle 1. Werte einer 5-kW-Drossel für 20 kHz bzw. 100 kHz Schalt-frequenz