Startseite > Halbleiter > Leistungshalbleiter > Der DioMOS in der Anwendung

Vorteile eines temperaturbeständigen R^on von SiC-MOSFETs

Der DioMOS in der Anwendung

18. November 2015, 14:09 Uhr | Von H. Nakata, K. Sawada, K. Watanabe, R. Usui, T. Ueda, E. Fujii

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Versuchsergebnisse nach Anwendung

Schaltungen im unterschiedlichen Versuchen Bild 4 bis 6

Alle Bilder anzeigen (3)

Ziel einer Untersuchung der Autoren war der Nachweis, dass die DioMOS-Chips in einer Parallelschaltung betrieben werden können.

Abwärtswandler mit hoher Schaltfrequenz

Bild 4 zeigt ein Schaltdiagramm zur Bewertung eines zum Testzweck gefertigten Halbbrücken-Leistungsmoduls, bei dem der High-Side- und der Low-Side-Schalter je aus vier parallel angeschlossenen DioMOS-Chips besteht. Bei diesem ersten Test handelt es sich um einen Abwärtswandler. Der Gate-Anschluss des Low-Side-Transistors ist direkt mit dessen Source-Anschluss verbunden, damit der Low-Side-Transistor als Freilaufdiode eingesetzt werden kann.

Jobangebote+ passend zum Thema

Field Account Manager (m/w/d) für das Vertriebsbüro in Pforzheim

GLYN GmbH & Co. KG, Pforzheim

Vertriebsinnendienst / Account Manager (m/w/d) für das Vertriebsbüro bei Wien

GLYN GmbH & Co. KG, Brunn am Gebirge

Trainee Vertrieb und Produktmanagement (m/w/d) für Berufs- und Quereinsteiger

GLYN GmbH & Co. KG, Idstein

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Schaltungstopologie Abwärtswandler
DC-Eingangsspannung	600 V
DC-Ausgangsspannung	480 V
DC-Ausgangsleistung	4,6 kW
Schaltfrequenz	20 bis 100 kHz
Temperatur	25 °C

Tabelle 1. Versuchsbedingungen beim Betrieb des Abwärtswandlers bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen.

Die Versuchsbedingungen bei einer Schaltfrequenz bis zu 100 kHz sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der in Bild 5 dargestellte gemessene Schaltungswirkungsgrad beträgt bei einer Schaltfrequenz von 20 kHz 98,8 % und bei 100 kHz 98 %. Der Wirkungsgrad bei höherer Schaltfrequenz ist aufgrund von erhöhten Schaltverlusten etwas geringer als bei der niedrigeren Schaltfrequenz. Das gefertigte Leistungsmodul konnte bei einer Schaltfrequenz von 100 kHz stabil betrieben werden.

Abwärtswandlers bei höheren Temperaturen

Tabelle 2 zeigt die Versuchsbedingungen des Leistungsmoduls bei höheren Temperaturen von bis zu 90 °C. Die geprüfte Schaltung ist die gleiche wie in Bild 4.

Schaltungstopologie Abwärtswandler
DC-Eingangsspannung	300 V
DC-Ausgangsspannung	240 V
DC-Ausgangsleistung	4,6 kW
Schaltfrequenz	20 kHz
Temperatur	35°C - 90°C

Tabelle 2. Versuchsbedingungen beim Einsatz des Abwärtswandlers bei bis zu 90°C.

Mit diesem Versuch soll der Vorteil eines niedrigeren R_DS(on) bei höheren Temperaturen nachgewiesen werden, wobei die Ausgangsspannung und die Schaltfrequenz klein gehalten werden, der Nennstrom jedoch angehoben wird, um die Leitungsverluste zu vergrößern und die Schaltverluste zu verringern. Der in Bild 6 dargestellte gemessene Schaltungswirkungsgrad ist stabil. Dieses Versuchsergebnis weist indirekt darauf hin, dass der DioMOS bei höheren Temperaturen einen stabilen und geringeren R_DS(on) aufweist.

Schaltungstopologie 3-Phasen-Wechselrichter
DC-Eingangsspannung	800 V
AC-Ausgangsleistung	22,5 kW
AC-Ausgangsfrequenz	50 Hz
Schaltfrequenz	30 kHz
Temperaaturbedingungen	25°C und 110°C

Tabelle 3. Versuchsbedingungen beim Betrieb des Wechselrichters.

Wechselrichter mit hohem Strom

Aufgrund der oben genannten Versuchsergebnisse wurde das Betriebsverhalten des Leistungsmoduls bei einer Schaltfrequenz von bis zu 100 kHz und unter hohen Temperaturen untersucht. Zum weiteren Nachweis des Vorteils eines niedrigen R_DS(on) bei höheren Temperaturen wurden die Verluste des Moduls bei Anwendung in einem Wechselrichter analysiert (Tabelle 3).

Bild 7 zeigt das Ergebnis der Verlustanalyse eines Transistors bei Raumtemperatur (25 °C) und bei 110 °C. Die Leitungsverluste sind aufgrund des kleineren R_DS(on) bei 110 °C 25 % kleiner als bei Raumtemperatur. Die Schaltverluste bei hohen Temperaturen sind aufgrund der starken Anstiegssteilheit (dv/dt) verringert. Damit ist der Gesamtverlust der Schaltung unter hohen Temperaturen geringer als unter Raumtemperatur. Wie bereits erwähnt, beinhaltet der in den vorangegangenen Abschnitten gemessene Schaltungswirkungsgrad sämtliche Schaltungskomponenten wie induktive Bauelemente und Kondensatoren. Folglich blieb der Schaltungswirkungsgrad des Abwärtswandlers bei höheren Temperaturen stabil. Andererseits sind bei der Wechselrichter-Topologie die Schaltungsverluste hauptsächlich auf das Leistungsmodul zurückzuführen, sodass der gesamte Schaltungsverlust bei höheren Temperaturen abnimmt.

Bild 8 zeigt die Ergebnisse der Temperaturmessung. Das Wärmebild zeigt, dass die Temperaturabweichungen bei den vier parallel geschalteten Chips innerhalb von 5 °C liegen und dass die Temperatur jedes Chips stabil ist. Der Hauptgrund hierfür liegt im geringen thermischen Widerstand der einzelnen Chips. Erwärmt sich der Chip mit dem niedrigsten R_DS(on), so sorgt der Wärmespreizer nicht nur für die Kühlung des wärmsten Chips, sondern auch für die Erwärmung der umgebenden Chips. Damit wird der R_DS(on) der umgebenden Chips verringert. Dieses Ergebnis zeigt, dass sich der Drain-Strom nicht auf den Chip mit dem niedrigsten R_DS(on) konzentriert.

Stabil bei hohen Temperaturen

In einer Parallelschaltung arbeiten die DioMOS-Chips unter hohen Temperaturen relativ stabil und es konnte keine thermische Instabilität beobachtet werden. Die Parallelschaltung der Transistoren ist hinsichtlich höherer Nennstromstärken vielversprechend; daher eignen sie sich besonders für Leistungsmodule für unterschiedliche industrielle Anwendungen. Das Leistungsmodul, welches für diese Arbeit verwendet wurde, wurde von Kazuhisa Ishikura und Yoshikazu Nishimura von der Sansha Electric Manufacturing gefertigt.

Literatur

[1] Uchida, M.; et al.: IEEE Int. Electron Devices Meeting Tech. Dig. Seite 602. Washington DC, 2011.
[2] Watanabe, K.; et al.: PCIM Europe 2014. 20. bis 22. Mai 2014. ISBN: 978-3-8007-3603-4.

Die Autoren

Hideki Nakata, Kazuyuki Sawada, Keisuke Watanabe, Ryosuke Usui, Tetsuzo Ueda, Eiji Fujii, sind alle bei Panasonic Corpation in Japan.