Minimale Schaltverluste Elektrofahrzeuge effizient laden dank SiC-MOSFETs

Für die Ladetechnik sind ein geringes Volumen und Gewicht essenziell. Ob sich der SiC-Trench-MOSFETs in On-Board-Ladesystemoder anderen Anwendungen im Fahrzeug eignet zeigt der Artikel.
Für die Ladetechnik sind ein geringes Volumen und Gewicht essenziell. Ob sich der SiC-Trench-MOSFETs in On-Board-Ladesystemoder anderen Anwendungen im Fahrzeug eignet zeigt der Artikel.

Beim Laden von E-Autos spielen Wirkungsgrad und die Flexibilität, an unterschiedlichen Netzen laden zu können, eine wichtige Rolle. Zudem ist eine geringes Gewicht essenziell. So beeinflusst u.a. das SMD-Gehäuse, ob sich SiC-Trench-MOSFETs für die Leistungselektronik in On-Board-Ladesysteme eignen.

Wichtige Design-Kriterien für On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen sind zum einen eine hohe Leistungsdichte und zum anderen geringe Kosten. Zur Steigerung der Leistungsdichte ist die Reduktion des Volumens passiver Bauteile von erheblicher Bedeutung, was hohe Schaltfrequenzen erforderlich macht. Gleichzeitig sind minimale Verluste in den Leistungshalbleitern wichtig, um den Aufwand zur Kühlung klein zu halten, weil ansonsten Kosten und Volumen des Kühlsystems steigen. Um beide Ziele zu erreichen, sind Leistungshalbleiter mit minimalen Schaltverlusten erforderlich. Dafür bieten sich Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFETs) sowie SiC-Schottky-Dioden an. Im Gegensatz zu den traditionell in den relevanten Spannungs- und Leistungsbereichen eingesetzten Silizium-IGBTs handelt es sich bei SiC-MOSFETs wie auch SiC-Schottky-Dioden um unipolare Bauteile. Daraus resultieren erheblich reduzierte Schaltverluste.

Flexibilitätsanforderungen an Ladesysteme

Auch die Flexibilität, sowohl an einer einphasigen als auch einer dreiphasigen Stromversorgung laden zu können, ist ein wichtiges Kriterium bei der Entwicklung des Ladesystems. Für eine typische Ladeleistung von 11 kW besteht ein möglicher Ansatz zum Beispiel darin, drei einphasige 3,7-kW- Leistungsfaktorkorrektur-Stufen (Power Factor Correction, PFC) wie in Bild 1 zu sehen ist zu kombinieren. Durch eine Schaltmatrix am Eingang lässt sich das System sowohl an einer 16 A/400 V-Drehstromversorgung als auch an einer einphasigen Versorgung – zumindest bis zur zulässigen Anschlussleistung – betreiben

Als Wandlerelemente werden in diesem Fall möglichst kompakte und effiziente 3,7-kW-PFC-Gleichrichter sowie galvanisch getrennte Spannungswandler benötigt. In beiden Reglerstufen können SiC-MOSFETs sowie SiC-Schottky-Dioden zum Einsatz kommen, um eine hohe Leistungsfähigkeit zu erreichen.

Vorteile moderner SMD-Gehäuse für schnell schaltende Halbleiter

SiC-MOSFETs können äußerst niedrige Schaltverluste erreichen und damit helfen, die Verluste in leistungselektronischen Wandlern zu minimieren. Um das Potenzial der Halbleiter möglichst optimal auszuschöpfen, werden moderne Gehäusetypen eingesetzt. Bild 2 zeigt eines der am meisten verbreiteten Gehäuse für Leistungshalbleiter. Die Beinchen des Gehäuses stellen nicht zu vernachlässigende parasitäre Induktivitäten dar. Diese sind auch in der vereinfachten Darstellung einer Gate-Ansteuerung dargestellt. Die Beinchen an Drain und Source sind Teil des Laststromkreises und tragen so zu Überspannungen beim Ausschalten bei, was die erreichbare Stromsteilheit begrenzen kann.

Neben der Induktivität des Gate-Beinchens ist auch die Source-Induktivität Teil der Gate-Ansteuerungsschleife. Diese Induktivität wird insbesondere beim Einschalten des SiC-MOSFETs relevant, weil die effektive Gate-Spannung am Chip durch den induktiven Spannungsabfall ULS über diese Induktivität vermindert wird, was die Einschaltgeschwindigkeit reduziert und damit die Einschaltverluste erhöht. Dieser Effekt ist in Bild 3 dargestellt.

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Vorteile moderner SMD-Gehäuse, Bilder 2-5

Vorteile moderner SMD-Gehäuse für schnell schaltende Halbleiter Bilder 2-5

Moderne Halbleitergehäuse wie das SMD-Gehäuse TO-263-7L bieten deutliche Vorteile für schnell schaltende Halbleiter. Zum einen weisen diese Gehäuse insgesamt geringere parasitäre Induktivitäten auf, weil die Verbindungen zur Leiterkarte flächig oder über mehrere parallele Beinchen erfolgt. Zum anderen steht ein separates Beinchen für die Verbindung des Gate-Treibers mit dem Source-Potenzial des MOSFETs zur Verfügung. Durch diesen »Driver Sense« findet keine Reduzierung der effektiven Gate-Spannung im Einschaltmoment statt und das Bauteil kann erheblich schneller und damit verlustärmer einschalten. Diese Trennung des Laststrompfads vom Gate-Strompfad ist in Bild 4 dargestellt.

Um den Effekt dieser Gehäusevorteile auf die Leistungsfähigkeit des Halbleiters darzustellen, sind in Bild 5 die Schaltverläufe für den gleichen 1200-V-40-mΩ-SiC-MOSFET in zwei unterschiedlichen Gehäusen illustriert. Die bereits genannten Vorteile des Gehäuses resultieren in geringeren Schaltverlusten und einer besseren Ausnutzung der Performance des SiC-Chips.

In Kürze wird ein umfangreiches Line-up von SiC-Trench-MOSFETs im TO-263-7L Gehäuse sowohl mit 650 V als auch mit 1200 V nomineller Sperrspannung für den Markt freigegeben. Auch Automotive-qualifizierte Varianten (gemäß AECQ-101) sind in Planung wie Tabelle 1 verdeutlicht. Diese SMD-Varianten des SiC-Trench-MOSFETs lassen sich beispielsweise zur Realisierung kompakter PFC-Gleichrichter und Spannungsreglerstufen für On-Board-Ladesysteme nutzen.

SiC-MOSFETs im SMD-Gehäuse in On-Board-Ladegeräten

Wie bereits erwähnt, besteht eine Möglichkeit zur Realisierung flexibel einsetzbarer 11-kW-Ladesysteme darin, mehrere 3,7-kW-PFC-Stufen und entsprechende isolierte Gleichspannungswandler zu kombinieren. Zur Realisierung der PFC-Stufe kommen verschiedene Topologien in Betracht. Einige der möglichen Optionen sind in Bild 6 dargestellt.

Die wohl einfachste Schaltung zur Realisierung einer einphasigen PFC-Stufe ist die Boost-PFC-Topologie. Dabei wird eine Dioden-Gleichrichterbrücke mit einer Aufwärtsstufe, meist bestehend aus einem Superjunction-MOSFET (SJ-MOSFET) sowie einer SiC-SBD, kombiniert. Die Ansteuerung des SJ-MOSFETs wird so gewählt, dass ein sinusförmiger Strom von der AC-Versorgung bezogen wird. Zur Erreichung von 3,7 kW bietet es sich gegebenenfalls an, diese Topologie in einer Interleaved-Variante mit zwei Induktivitäten sowie zwei SJ-MOSFETs und SiC-SBDs zu realisieren. So lassen sich maximale Wirkungsgrade bis hin zu etwa 98 Prozent erreichen. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads ist durch die Leitverluste der 50 Hz Gleichrichterdioden begrenzt.

Alternative Topologien wie die zweiphasige, brückenlose PFC und auch die Totem-Pole-PFC haben zum Ziel, den Dioden-Gleichrichter am Eingang zu vermeiden und so bessere Wirkungsgrade realisieren zu können. Mit der zweiphasigen, brückenlosen PFC lässt sich zwar eine gute Performance erreichen, jedoch ist hier von Nachteil, dass jeweils ein Brückenzweig lediglich in je einer halben Netzperiode zum Einsatz kommt. Damit ergibt sich eine relative hohe Belastung durch schnelle Temperaturzyklen bei den Komponenten.

Die beiden in Bild 6 gezeigten Varianten der Totem-Pole-PFC stellen eine mögliche Lösung dar, die sich durch das Aufkommen von Wide-Bandgap-Bauelementen wie SiC-MOSFETs wachsender Beliebtheit erfreut. Die Totem-Pole-PFC ist in der Literatur bereits vielfach beschrieben, ihr praktischer Einsatz war aber vor Aufkommen der Wide-Bandgap-Halbleiter auf geringe Leistungen begrenzt, weil die Schaltung nicht mit kontinuierlichem Strom (Continuous Current Mode, CCM) arbeiten konnte. Um das harte Schalten der langsamen Body-Dioden der Si-SJ-MOSFETs zu vermeiden, wurden diese Schaltungen mit diskontinuierlichem Stromfluss (Discontinuous Current Mode, DCM) betrieben, was zu großen Ripple-Strömen führte.

Mit Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern wie SiC-MOSFETs aber auch GaN-HEMTs ist es nun möglich, die Totem-Pole-PFC auch mit kleinen Ripple-Strömen im CCM-Betrieb zu betreiben. Dabei kommt der Vorteil der SiC-MOSFETs zum Tragen, dass deren Body-Diode für die harte Kommutierung geeignet ist und nur sehr geringe Reverse-Recovery-Verluste aufweist.