Platzbedarf und Verluste reduzieren

Ehrgeizige Pläne für die GaN-Produktfamilie

19. Oktober 2021, 14:44 Uhr | Von Ina Franjic, Salvatore La Mantia, Ales Loidl, Jiri Smutka, Jan Svetlik und Ester Spitale, STMicroelectronics

Bild 1: Vergleich der Schaltverluste von SiC und ultraschnellen Dioden

Unter der Bezeichnung STPower bietet STMicroelectronics ein breites Spektrum an Leistungselektronik-Komponenten an. Dieser Beitrag geht auf die neuen Wide-Bandgap-Technologien ein und gibt einen Überblick über das Produktspektrum und seine Eigenschaften im Hinblick auf industrielle Anwendungen.

Wide-Bandgap-Materialien stellen für viele industrielle Anwendungen einen Wendepunkt dar. Siliziumkarbid-Technologien ermöglichen dank der unbestrittenen Überlegenheit der intrinsischen elektrischen Eigenschaften im Vergleich zu Silizium neue Systemarchitekturen, die eine höhere Effizienz in hochkompakten Designs bieten, während die Reduzierung der Gesamtbetriebskosten (TCO) die Einführung von SiC wirtschaftlich rentabel macht.

Vergleich mit ultraschnellen Gleichrichtern

Siliziumkarbid-Dioden sind die unbestrittene Technologie zur Steigerung der Effizienz und Robustheit von Anwendungen wie Stromversorgungen, DC-Ladegeräten, PV-Wechselrichtern oder Telekommunikationsgeräten. STs Produktportfolio besteht aus SiC-Dioden für Spannungen im Bereich von 650 bis 1200 V und mit Stromstärken von 2 bis 40 A. Um den Anforderungen von Anwendungen gerecht zu werden, die unterschiedliche Dioden-Kompromisse erfordern, hat ST zwei Typen von 650-V-SiC-Dioden entwickelt: Dioden mit niedriger Vorwärtsspannung und Dioden mit hoher Überspannung. ST hat zudem eine High-Surge-Diode entwickelt, die im Vergleich zu Dioden mit niedriger Vorwärtsspannung einen doppelt so hohen Spitzenstoßstrom verträgt.

SiC-Dioden sind eine sehr gute Wahl für Anwendungen, bei denen die Schaltverluste reduziert werden müssen, da es keine Rückstromladung gibt (Bild 1). Beim Schalten tritt nur eine geringe kapazitive Verschiebung auf, was zu vernachlässigbaren Ausschaltverlusten führt. SiC-Dioden verbessern nicht nur die Gesamtschaltverluste im Vergleich zu anderen ultraschnellen Dioden erheblich, sondern die Schaltleistung bleibt bei praktisch allen Schaltgeschwindigkeiten, Durchlassströmen und Temperaturen konstant.

Im Beispiel einer 1,2-kW-Leistungsfaktorkorrektur (PFC) wurde eine ultraschnelle Diode von 15 A, 600 V durch eine SiC-Diode von 8 A, 650 V ersetzt und verglichen. Durchgeführt wurde der Test mit einer Eingangsspannung von 115 V AC, einer Schaltfrequenz von 100 kHz und einem dI/dt-Wert von 600 A/µs beim Ausschalten.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Der in Bild 2 dargestellte Vergleich zwischen der Messung des Wirkungsgrads der ultraschnellen und der SiC-Diode zeigt, dass der maximale Gewinn der SiC-Diode bei Volllast mit einem beeindruckenden, 1,2 Prozentpunkte höheren Anwendungswirkungsgrad erreicht wird. Mit zunehmender Last steigt die Abschaltbelastung einer ultraschnellen Diode, was zu einer stärkeren Abnahme ihres Wirkungsgrades führt. Es ist wichtig zu beachten, dass der Nennstrom der SiC-Diode in diesem Fall im Vergleich zu einer ultraschnellen Diode fast die Hälfte beträgt. Der Vorteil, dass die SiC-Diode keine Rückwärtsladung und einen sehr niedrigen Rückwärtsstrom aufweist, ist offensichtlich; die Testergebnisse zeigen deutlich reduzierte Verluste am MOSFET in der PFC. Dieses Temperaturverhalten beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad des Systems und spricht für den Einsatz von leistungsstarken SiC-Dioden für Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Schaltfrequenz.

Weitere Effizienzsteigerung

ST wird demnächst eine neue Produktgeneration der SiC-MOSFET-Technologie für industrielle Anwendungen vorstellen (Bild 3). SiC-MOSFETs werden in großem Umfang in Anwendungen wie DC-Ladegeräten, Solarwechselrichtern und Schaltnetzteilen eingesetzt. Genau in diese Richtung zielt die für 2022 geplante dritte SiC-Generation für den industriellen Markt.

Geringerer RDS(on) pro Fläche ermöglicht einen niedrigeren RDS(on) für eine gegebene Chipgröße bei höherer Strombelastbarkeit, wodurch Leitungsverluste reduziert werden, was eine höhere in der Anwendung erreichbare Leistung bei gleicher Gehäusegröße bedeutet (Bild 4). Gleichzeitig ermöglichen kleinere Ron · Qg geringere Schaltverluste und damit eine höhere Schaltfrequenz. Das macht kompaktere Platinen möglich. Dieser bedeutende Fortschritt bei den wichtigsten elektrischen Parametern der SiC-Gen3-MOSFETs wird mithilfe der Optimierung des horizontalen Layouts und der vertikalen Struktur erreicht.

Benchmark-Tests an einem 4-kW-DC/AC-Halbbrücken-Referenzwandler haben gezeigt, dass ST-SiC-Gen3-MOSFETs im Vergleich zu SiC Gen2 die besten Werte bei Effizienz, Temperatur und Verlustleistung bieten. Entwickler können von einer höheren Effizienz und einem kleineren Systemformfaktor profitieren, indem sie einen kleineren Kühlkörper einsetzen.