SiC-Transistoren
Die erste Generation
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Höher Schaltfrequenzen, weniger Verluste
Der selbstleitende CoolSiC zeigt ein Kennlinienfeld wie ein 600-V-CoolMOS mit guter Steuerbarkeit über das Gate und sehr hoher Stromtragfähigkeit (Bild 3a). Mit dem Ziel, kompaktere Systeme durch deutlich höhere Schaltfrequenzen zu realisieren, rückt die Reduzierung der dynamischen Verluste in den Mittelpunkt. Aufgrund der Materialeigenschaften von SiC weist der CoolSiC sehr kleine Bauelement-Kapazitäten auf, die (Bild 3b) eine glatte und nahezu ideale Charakteristik aufweisen.
Dies zeigt sich auch in der Gate-Ladungskurve: Messungen zeigen das Miller-Plateau bei einem Nennstrom von ca. –7 V. Damit sind bereits mit einer einfachen Gate-Ansteuerschaltung schnelle Schaltvorgänge mit hohen Steilheiten beim Ein- und Ausschalten realisierbar [6].
Der SiC-JFET wurde sowohl in diskreten Gehäusen [5] als auch in einem Halbbrücken-Modul [7] auf zwei unterschiedlichen Testplattformen getestet. Bild 4a zeigt die Schaltverläufe des 1.200-V-CoolSiC in einem Easy-1B-Modul.
Der Einschaltvorgang zeigt die Verläufe am Low-Side-Transistor während der Kommutierung gegen die Body-Diode des High-Side-JFETs.
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Auffällig dabei ist, dass die Rückstromspitze nur so lange anhält, wie die Drain-Source-Spannung am Schalter fällt. Deshalb ist der Hauptteil des Rückwärtserholstroms kapazitiver Natur. Die monolithisch integrierte CoolSiC-Body-Diode erreicht nahezu die Leistung einer SiC-Schottky-Diode, die heute den Maßstab bezüglich Verlustenergien darstellt.
Die Schaltverluste liegen im Vergleich zur jüngsten High-Speed-IGBT-Generation von Infineon um den Faktor 2 niedriger. Im Vergleich zur langsameren Infineon-Trenchstop-IGBT-Familie sind die Schaltverluste fast um eine Größenordnung niedriger. Bild 4b zeigt den Vergleich der gesamten Schaltverluste für die einzelnen Bauelemente.
Der Vergleich zu Trenchstop-IGBTs
Um die Leistung des Bausteinkonzepts experimentell zu validieren, wurde ein seriennaher Dreiphasen-Photovoltaik-Umrichter mit 17 kW Leistung gewählt [5]. Das Gerät verwendet einen Dreipunkt-Wechselrichter mit bipolar schaltendem Ast zum Neutralpunkt. Die zwei Hochfrequenz-Transistoren pro Phase – ursprünglich Trenchstop-IGBTs mit 1.200 V und 40 A – wurden durch jeweils drei parallele 1.200-V-SiC-JFETs mit 100 mΩ Einschaltwiderstand in Kombination mit den jeweiligen 30-V-p-Kanal-MOSFETs ersetzt.
Bild 5 zeigt den erzielten Wirkungsgrad des Umrichters als Funktion der Ausgangsleistung. Es ist eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads über den gesamten Lastbereich erkennbar. Der Standard-Umrichter auf Basis von Si-Transistoren erreicht einen maximalen Systemwirkungsgrad von 98,2 %. Umrichter, die mit CoolSiCs ausgestattet sind, erlauben unter Erfüllung aller EMV-Anforderungen eine Wirkungsgradsteigerung um 0,6 %.
Der Wirkungsgrad als Funktion von Eingangsspannung und Last gemäß dem sogenannten Photon-Test ist in Bild 6 dargestellt. Es wird deutlich, dass der Bereich, in dem ein Wirkungsgrad von mindestens 98 % erreicht wird, gegenüber dem Gerät mit Standard-IGBT-Bestückung deutlich ausgedehnt ist.
Aufgrund des gateoxidfreien Bauelementkonzepts, das in vielen strukturellen Details auf Infineons SiC-Schottky-Dioden referenziert werden kann, erreichen die Bauelemente eine sehr hohe Zuverlässigkeit, die gerade in langlebigen Applikationen wie Solarumrichtern von besonderer Bedeutung ist. Wie in einem seriennahen PV-Umrichter gezeigt wurde, lässt sich durch die CoolSiC-Bauelemente der Wirkungsgrad über einen weiten Eingangsspannungs- und Lastbereich hinweg erhöhen; dies ist die Systemvoraussetzung für eine deutliche Anhebung der Taktfrequenz.
Literatur
[1] Treu, T.; et al.: Proceedings IAS 2007. Published on CD.
[2] Datenblatt SJEP120R100. www.semisouth.com
[3] Elpelt; et al.: Mat. Sci. Forum Vols. 645 – 648 (2010), Seite 933 – 936.
[4] Björk, F.; et al.: ICSCRM 2010, Abstract Booklet, Seite 174.
[5] Deboy, G.; Ludwig, H.; Mallwitz, R.; Rupp, R.: New SiC JFET with Integrated Body Diode Boosts Performance of Photovoltaic Systems. Proceedings PCIM, May 2011.
[6] Hilsenbeck, J.; Björk, F.; Bergner, W.: A Mature 1200V SiC JFET Technology Optimized for Efficient and Reliable Switching. Proceedings PCIM, May 2011.
[7] Domes, D.; Messelke, C.; Kanschat, P.: 1st industrialized 1200V SiC JFET module for high energy efficiency applications. Proceedings PCIM, May 2011.
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An dem Artikel wirkten mit: Wolfgang Bergner, Fanny Bjoerk, Gerald Deboy, alle Infineon Technologies Austria; Daniel Domes, Infineon Technologies in Deutschland. |
gerald.deboy@infineon.com
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