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United Silicon Carbide

SiC-Kaskoden als Drop-in-Ersatz für MOSFETs und IGBTs

23. Juli 2018, 9:55 Uhr | Christopher Rocneanu

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Anwendungen für Kaskoden

Neben dem Ersatz von IGBTs und Si-MOSFETs in herkömmlichen Systemen eignen sich Kaskoden auch für neue Designs in in Motorsteuerungen, Wechselrichtern, Fotovoltaik, Schweißtechnik, Klasse-D-Audioverstärkern sowie Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Mit einem völlig neuen Designansatz lassen sich hohe Schaltgeschwindigkeiten der Bausteine ausnutzen, um kleinere passive Bauelemente einzusetzen.

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Wesentliche Vorteile ergeben sich vor allem in brückenlosen Totem-Pole-PFC-Anwendungen (Bild 4). Bislang waren Schaltungen auf Siliziumbasis durch die langsame Body-Dioden der MOSFETs begrenzt. Zwar hilft eine parallele SiC-Diode, aber die Anzahl der Bauteile lässt sich mit diesem Ansatz nicht verringern. Die Schaltung musste im Critical-Conduction- oder Boundary-Modus arbeiten, damit der Schaltstrom am Ende jedes Leitungszeitraums immer Null ist. Dieser Modus variiert die Frequenz und dessen Spitzenströme sind groß, was die Bauteile entsprechend belastet, sodass diese tendenziell etwas größer ausfallen.

Mit Kaskoden-SiC-JFETs ergeben sich im Continuous-Conduction-Modus niedrigere Spitzenströme, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht, die Induktivität kann kleiner ausfallen und Filter- sowie EMI-Probleme verringern sich, da die Betriebsfrequenz fest ist. Ein Beispielschaltkreis mit den UJC06505K-Bausteinen von United Silicon Carbide (USCI) bei 1,5 kW und 230 V hat einen Wirkungsgrad von 99,4 %.

Ein hoher Wirkungsgrad im Primärkreis eines Wandlers muss mit ähnlichen Verbesserungen bei der sekundärseitigen Gleichrichtung der DC-Ausgänge abgestimmt werden. Auch hier eignen sich SiC-Kaskoden, da sie sich für synchrone Gleichrichtung konfigurieren lassen (Bild 5).

Bei Durchfluss- oder Abwärtswandlern fließt beim Betrieb im dritten Quadranten sowohl im Vorwärts- als auch im Freilaufbetrieb in der einen oder anderen Kaskode von Source zu Drain Strom, und zwar durch die Ausgangsinduktivität zur Last. Der Stromfluss durch die Body-Diode klemmt die Gate-Source-Spannung des SiC-JFETs auf ungefähr +0,7 V, wodurch dieser eingeschaltet bleibt. Schaltet das Kaskoden-Gate auf High, so wird der interne Si-MOSFET-Kanal leitend und der gesamte Durchlasswiderstand ist der R_DS(on) der Kaskode, was zu geringeren Leitungsverlusten führt. Q1 bildet den Freilaufgleichrichter und Q2 den Vorwärtsgleichrichter. SiC-Kaskoden können ein einfacher Einstieg in Halbleiter mit großer Bandlücke sein. Sie bieten Vorteile in neuen Designs und dienen in bestehenden Systemen als 1:1-Ersatz für IGBTs und Si-MOSFETs.