Schaltverluste reduzieren Leistungsmodul mit niedriger Streuinduktivität

Das SiC-Leistungsmodul in der Verwendung eines Antriebsstrangwchselrichter.
Das SiC-Leistungsmodul in der Verwendung eines Antriebsstrangwchselrichter.

Siliziumkarbid spielt in der Leistungselektronik mittlerweile eine wichtige Rolle. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Vorteilen eines neu entwickelten SiC-Leistungsmoduls und dessen Einsatz in einem Antriebsstrangwechselrichter.

Der erste Siliziumkarbid-MOSFET (SiC-MOSFET) wurde im Jahr 2010 auf den Markt gebracht. Das führte zu einer Revolution auf dem Gebiet der Leistungselektronik. In zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten wurden die verfügbaren SiC-Produkte hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte intensiver untersucht. Trotz der hohen Preisunterschiede zwischen SiC- und Si-Halbleiterbauteilen, sind die Kostenvorteile von SiC auf Systemebene mehrfach bewiesen worden. Zusätzlich hat Siliziumkarbid einen Reifegrad erreicht, der dazu geführt hat, dass SiC für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit, wie sie zum Beispiel im Automotive-Sektor üblich sind, als potenzieller Kandidat für Leistungselektroniksysteme zum Einsatz kommt. Das Interesse an SiC wächst zurzeit deshalb sehr stark.

Erwartungen an SiC für den Antriebstrang

Das vereinfachte Blockdiagramm eines Antriebsstrangs ist in Bild 1 dargestellt. Durch den Einsatz von SiC-Leistungsbauelementen im Antriebsstrang kann eine Effizienzsteigerung des gesamten Antriebsstrangs erreicht werden. Demzufolge wird durch den Einsatz von SiC im Antriebsstrang bei gleicher Batteriekapazität eine größere Reichweite sowie eine erhebliche Reduzierung von Batterievolumen und damit Batteriegewicht für dieselbe Reichweite erwartet. Auf diese Weise können die Effizienz- und Gewichtsverbesserungen dem Endbenutzer einen wirtschaftlichen Vorteil bringen.

Neues SiC Power Modul: Gtype

Der Kommutierungskreis, also der Bereich zwischen Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiter, ist einer der kritischsten Schaltungskreise in einem Leistungselektroniksystem. Während der Umschaltung von Transistoren spielt die Streuinduktivität des Kommutierungskreises eine Hauptrolle für die Bestimmung der Schaltverluste sowie die Spannungsspitze, die während des Ausschaltens des Leistungstransistors auftreten. Die Streuinduktivität des Leistungsmoduls ist ein Teil der gesamten Streuinduktivität im Kommutierungskreis. Um die hohe Schaltgeschwindigkeit von SiC ausnutzen zu können, soll die interne Induktivität im Modul klein gehalten werden. Damit können geringere Schaltverluste erzielt werden.

In Bild 2 wird das neu entwickelte Hochstrom-Leistungsmodul Gtype gezeigt. Der Unterschied zwischen dem neuen Gtype-Modul und dem Vorgängermodell Etype ist an der Anschlussstelle hervorgehoben. Obwohl beide Module dieselben Abmessungen haben, weist das Gtype-Modul eine Streuinduktivität von 10 nH auf. Diese ließ sich durch die Verwendung einer spezifischen internen Struktur erreichen. Die Streuinduktivität des Etype-Moduls beträgt 13 nH.

Das Ausschaltverhalten beider Module (E-Typ- und G-Typ) wurde messtechnisch untersucht. Beide Module haben zwar die gleichen Abmessungen, jedoch weisen sie unterschiedliche Stromstärken auf. Der Drain-Strom des Gtype-Moduls beträgt 600 A, während der Drain-Strom des Etype-Moduls nur 400 A beträgt. Der Schaltstrom wurde bei der Untersuchung deshalb aufgrund des Etype-Moduls auf 400 A beschränkt. Bei der Messung wurde darauf geachtet, dass die Testparameter für beide Module gleich bleiben. Bild 3 zeigt, dass das Gtype-Modul eine kleinere Spannungsspitze aufzeigt. Die Differenz beträgt 30 V. Es wird jedoch erwartet, dass die Differenz bei höheren Stromstärken aufgrund von höherem di/dt weiter zunimmt. Im Allgemeinen müssen die Modulbenutzer sicherstellen, dass die Spannungsspitze unter keinen Umständen die maximale vom Hersteller spezifizierte Sperrspannung des Moduls überschreitet.

Bilder: 5

SiC-Leistungsmodul Gtype: Bilder 2 bis 6

Neues SiC Power Modul: Gtype

Bei der Bestimmung der Schaltverluste muss die Spannungsspitze, die während des Ausschaltens auftritt, mitberücksichtigt werden. Bild 4 demonstriert den Zusammenhang zwischen Spannungsspitze und Schaltverlust beider Module bei unterschiedlichen Gate-Vorwiderständen (Rg). Angenommen, in einer Anwendung wäre eine Spannungsspitze von bis zu 200 V zulässig – dann würden die Schaltverluste des G-Typ-Moduls etwa 25 Prozent niedriger ausfallen als beim Etype-Modul. Das zeigt, dass eine geringe Streuinduktivität des Moduls ein Schlüsselfaktor ist, um nicht nur einen Sicherheitsabstand in Bezug auf die Drain-Source-Spannungsspitze zu erhalten, sondern auch die Schaltverluste zu verringern und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Das Gtype-Modul BSM600D12P3G001 ist ein Halbbrückenmodul, das die SiC-Trench-Gate-MOSFET-Technologie sowie die SiC-Schottky-Diode (SBD) nutzt. Pro Schalter kommen zehn Chips aus SiC-MOSFETs parallel zum Einsatz. Der DC-Drain Bemessungsstrom beträgt 600 A bei Tc = 50 °C. In den nächsten Abbildungen werden Vergleiche zwischen dem Gtype-Modul und zwei marktgängigen IGBT-Modulen der neuesten Generation mit dem gleichen Bemessungsstrom gezeigt. In Bild 5 ist ein Vergleich der Ausgangseigenschaften bei einer Sperrschichttemperatur von 150 °C zu sehen. Im Hinblick auf den Leitungsverlust kreuzen sich die Kurven für SiC-MOSFET- und IGBT-Module bei etwa der Hälfte des Bemessungsstroms

Ein Vergleich der Schaltverluste auch bei einer Sperrschichttemperatur von 150°C ist in Bild 6 dargestellt. Das zeigt, dass die gesamten Schaltverluste des G-Typ-Moduls mit SiC-Bauelementen rund 65 Prozent niedriger als bei den IGBT-Modulen sind – bei einem Bemessungsstrom von 600 A. Aufgrund der geringeren Schaltverluste lässt sich das SiC-Modul für solche hohen Ströme mit einer wesentlich höheren Schaltfrequenz betreiben.