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Bauteile für Hochspannungs-Applikationen

Richtig dimensionieren

20. Juli 2015, 10:44 Uhr | Von Bill Schweber

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

MOSFETs aus Siliziumkarbid

Bisher musste man sich in Hochspannungs-Schaltanwendungen, in denen man beide Bauteile einsetzen könnte, zwischen IGBT und MOSFET entscheiden. Neuerdings gibt es hier eine weitere Möglichkeit, denn MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) sind nun kommerziell verfügbar. SiC hat eine breitere Bandlücke und unterscheidet sich auch noch in anderen physikalischen Eigenschaften.

Im Vergleich zu Silizium ist SiC für zehnfach höhere Durchbruchsspannungen spezifiziert. Damit kann man SiC-MOSFETs viel dünner sowie kleiner herstellen und (trotz einiger anderer Beschränkungen) mehr Strom mit geringeren Verlusten schalten. SiC erreicht eine erheblich bessere Wärmeleitfähigkeit als Silizium, was letztlich zu höheren Leistungsdichten führt. SiC kann man mit Sperrschichttemperaturen von über 150 °C betreiben – das spart Kosten bei Kühlkörper und Gehäuse. Die maximale Sperrschichttemperatur ist – nebenbei bemerkt – bei Halbleitern der kritischste Betriebsparameter überhaupt.

Cree bietet passend dazu die Familie C2M mit 1220-V- und 1700-V-SiC-MOSFETs u.a. im Gehäuse TO 247 an. Der C2M0160120D ist mit 17,7 A bei 1,2 kV spezifiziert, er hat lediglich 160 mΩ R_DS(on) und eine maximale Verlustleistung von 125 W. Der C2M0025120D ist zwar auch ein 1200-V-Typ, kann aber mit gerade mal 25 mΩ R_DS(on) bis zu 90 A schalten. Seine maximale Verlustleistung beträgt 463 W. Man kann diese Bauteile in Solarinvertern, Hochspannungswandlern, Motorensteuerungen, Schaltnetzteilen und Notstromversorgungen (UPS) einsetzen. Cree gibt an, dass ihre SiC-MOSFETs gegenüber Silizium-IGBTs die dreifache Leistungsdichte, aber nur 20 % von deren Verlusten aufweisen. Das ist eine erhebliche Verbesserung bei beiden Parametern (Bild 4).

Obwohl die Entwicklung mit Hochspannung (oder sogar auch nur in ihrem Umfeld) für den Ingenieur reichlich Herausforderungen bereithält, ist sie für viele Geräte ein unvermeidbarer, wesentlicher Aspekt. Aus diesem Grund muss ein Ingenieur mit den zugehörigen Designaspekten und wesentlichen Fragen der Hochspannungstechnik vertraut sein und natürlich auch mit Sicherheits- und regulatorischen Fragen. Nur so kann er die richtige Sichtweise entwickeln – mit allem Respekt hohen Spannungen gegenüber und dem, was sie anrichten können und wofür man sie braucht.