Leistungsdichte und Effizienz verbessern
SiC-Halbleiterprodukte in der Anwendung
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Die Rückwärtsleitung von SiC
Wie im zweiten Teil dieser Artikelserie beschrieben wurde, befindet sich innerhalb der Zellstruktur eines jeden SiC-MOSFET eine parasitäre Inverse-PN-Diode (Body-Diode). In Leistungselektroniksystemen in einem Kommutierungskreis, in dem Induktivitäten in Reihe geschaltet sind, fließt der Strom innerhalb dieser Body-Diode, wenn der SiC-MOSFET ausgeschaltet ist. Wie bei jeder PN-Diode fällt eine Vorwärtsspannung an der Body-Diode ab, wenn der Strom durch die Diode fließt. Eine der physikalischen Eigenschaften von SiC-MOSETs ist das Vorhandensein einer großen Bandlücke (engl. Wide Band Gap). Diese führt dazu, dass der Spannungsabfall an der Body-Diode hoch ist. Der Leistungselektronik-Entwickler sollte während der Entwicklungsphase seines Systems herausfinden, wie oft die Body-Diode während des Umschaltens zum Einsatz kommt.
Der hohe Spannungsabfall verursacht hohe thermische Verluste, wenn der Anteil des Stroms, der durch die Body-Diode fließt, groß ist. Darüber hinaus spielt die Schaltzeit eine wichtige Rolle bei der thermischen Auslegung. Eine der Möglichkeiten, um den hohen Spannungsabfall zu vermeiden, ist die Verwendung einer speziellen physikalischen Eigenschaft von SiC-MOSFETs, nämlich der Rückwärtsleitung (engl. Reverse Conduction), siehe Bild 6. Die Rückwärtsleitung eines SiC funktioniert folgendermaßen:
Der SiC-MOSFET ist zum Rückwärtsbetrieb fähig, das heißt der SiC-MOSFET-Kanal kann wieder eingeschaltet werden, obwohl sich der MOSFET im Rückwärtszustand befindet. Der Rückwärtsstrom fließt dann durch den SiC-MOSFET-Kanal und nicht über die Body-Diode.
Wie in Bild 7 zu sehen ist, verringert sich der Spannungsabfall zwischen Drain und Source, wenn die Gate-Spannung höher wird. Beste Ergebnisse erreicht man, wenn die Gatespannung UGS bei 18 V liegt.
Aber wie lässt sich die Rückwärtsleitung in Applikationen mit Halbbrückenkonfiguration verwenden bzw. einstellen?
Die Halbbrückenkonfiguration ist weit verbreitet in Systemen wie Wechselrichtern oder DC/DC-Wandlern. Sie besteht aus zwei Schaltern bzw. SiC-MOSFETs (High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter). In solchen Halbbrückenschaltungen werden die Ansteuersignale von den Mikrocontrollern komplementär generiert und von den Gate-Treibern an die MOSFETs angepasst und weitergegeben, um die Funktion des Systems sicherzustellen.
Eine Totzeit beim Umschalten beider Schalter muss vorgesehen werden, um einen Kurzschluss im Zwischenkreis zu vermeiden. Während der Totzeit wird der Strom über die Body-Diode fließen. Nach Ablauf der Totzeit besteht die Möglichkeit, den ausgeschalteten MOSFET wieder einzuschalten, obwohl er sich im Rückwärtszustand befindet.
Wie in Bild 8 zu sehen ist, fließt der Strom über die Body-Diode nur innerhalb der Totzeit. Dann wird der MOSFET-Kanal wieder eingeschaltet, damit der Strom durch den MOSFET-Kanal fließen kann. Dieser Prozess nennt sich Rückwärtsleitung und lässt sich über die Software im Mikrocontroller realisieren.
Der Autor
| Aly Mashaly |
|---|
| absolvierte sein Elektrotechnik-Studium an der Universität in Kairo, danach folgte ein Masterstudium an der Leibniz-Universität Hannover. Seine Berufslaufbahn begann er als Entwicklungsingenieur Leistungselektronik bei der Liebherr Elektronik GmbH. Anschließend übernahm er die Leitung des eMobility-Bereichs bei der KEB GmbH. Seit Juli 2015 ist er bei der Rohm Semiconductor GmbH tätig und verantwortet dort die Power-Systems-Abteilung für den europäischen Markt. |
- SiC-Halbleiterprodukte in der Anwendung
- Hohe Effizienz in der Antriebstechnik
- Die Rückwärtsleitung von SiC
Das könnte Sie auch interessieren
Moderne Halbleitertechnologien
GaN – Die Zeit ist reif
X-Fab
150-mm-SiC-Fertigung entsteht
Für Low-Voltage-Anwendungen
Effiziente N-Kanal-MOSFETs mit 40 V
