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SiC-Technologie für schnelles Schalten

Überlegene Schaltleistung und Leistungskennzahlen

5. Dezember 2023, 8:00 Uhr | Von Fatih Cetindag, Applications Engineer in der Automotive Power Division von onsemi

Bild 2: Vergleich des RDS(on) beider MOSFETs bei +25 °C (links) und +175 °C (rechts)

Onsemi hat seine SiC-MOSFETs der EliteSiC-M3S-Technologie auf die Anforderungen schneller Schaltanwendungen in E-Fahrzeugen wie Onboard-Ladegeräten und High-Voltage-DC/DC-Wandlern zugeschnitten. In welchen Punkten sich die Bausteine vom Wettbewerb unterscheiden, zeigen Vergleichstests.

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Siliziumkarbid (SiC) hat eine höhere dielektrische Durchschlagsfestigkeit, Energiebandlücke (WBG, Wide Bandgap) und Wärmeleitfähigkeit als Silizium (Si) – Eigenschaften, die Leistungselektronikentwickler nutzen können, um effizientere Designs mit höherer Leistungsdichte zu entwickeln, als das bisher mit Designs auf Si-IGBT-Basis möglich war. Um die Leitungs- und Schaltverluste bei hohen Frequenzen zu minimieren, sind für diese Anwendungen Bauelemente mit niedrigem Durchlasswiderstand RDS(on) und geringer Sperrverzögerungsladung Qrr (Reverse Recovery-Charge) der Body-Diode erforderlich.

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse von Bauteilcharakterisierungstests und Simulationen an 3-Phasen-PFC-Wandlern (mit Leistungsfaktorkorrektur; Power-Factor-Correction) vorgestellt, die mit zwei verschiedenen SiC-MOSFETs in TO247-4L-Gehäusen realisiert wurden. Einer der getesteten Bausteine gehört zur neuen EliteSiC-M3S-Reihe von onsemi, die für niedrige Schaltverluste optimiert ist, während der andere von einem Mitbewerber stammt, dessen grundlegende Parameter in Tabelle 1 aufgeführt sind. Dieser Beitrag erörtert auch, wie sich die Bauelemente-Parameter auf die relative Leistungsfähigkeit auswirken.

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Leistungsverluste in Schaltgeräten lassen sich in Leitungs- und Schaltverluste unterteilen. Schaltverluste entstehen aufgrund der Anstiegs- und Abfallzeit, da Strom und Spannung nicht sofort ihren Pegel ändern können. Bei Leistungs-MOSFETs hängt die Anstiegs- und Abfallzeit von der Geschwindigkeit ab, mit der die parasitären Kapazitäten des Bauteils geladen und entladen werden. Darüber hinaus trägt auch die Sperrverzögerungsladung der Body-Diode zu den Schaltverlusten bei. Umgekehrt treten Leitungsverluste auf, wenn ein Bauelement Strom leitet.

Vor diesem Hintergrund bestimmen die dynamischen Parameter des Bauelements die Schaltverluste, während sich die Leitungsverluste auf statische Parameter beziehen. Untersuchungen dieser Parameter geben den Entwicklern mehr Einblick in die Leistungsfähigkeit des Bauelements in Bezug auf die Leistungsverluste. So zählen zu den Parametern, die hauptsächlich für die Schaltverluste verantwortlich sind, die Bauelemente-Kapazitäten (Coss, Ciss und Crss) und die Sperrverzögerungsladung der Body-Diode (Qrr). Im Gegensatz dazu tragen RDS(on) und USD (Spannungsabfall der Body-Diode) wesentlich zu den Leitungsverlusten bei.

Zunächst wurden dynamische Charakterisierungstests mit einem Doppelpuls-Testaufbau unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, um die kritischen Parameter der einzelnen MOSFETs zu vergleichen (Bild 1). Anschließend wurde eine 3-Phasen-PFC-Simulation durchgeführt, um die Gesamteffizienz des Systems für jeden MOSFET zu vergleichen.

RDS(on) und USD (Spannungsabfall der Body-Diode) sind die kritischsten statischen Parameter. Sie wurden unter verschiedenen Testbedingungen charakterisiert. Der NVH4L022N120M3S von onsemi wurde im Vergleich zu alternativen SiC-MOSFETs des Wettbewerbers A getestet. Wie aus den in Tabelle 2 zusammengefassten Ergebnisse hervorgeht, erzielt der NVH4L022N120M3S bei allen gemessenen Temperaturen und Strömen überlegene Werte mit einer niedrigeren USD. Diese Ergebnisse führen zu geringeren Leitungsverlusten.

RDS(on) ist ein weiterer kritischer Parameter, der zur Vorhersage der Leitungsverluste des Bauelements verwendet wird. Daher wird dieser Parameter für beide Bauelemente bei 25 und 175 °C Sperrschichttemperatur charakterisiert. Durchgeführt wurden die Die RDS(on)-Messungen bei zwei Gate-Source-Spannungen von 15 und 18 V mit einer Leitungspulsdauer von 300 µs (Bild 2). Ein Blick auf die Ergebnisse zeigt: Wettbewerber A weist bei jeder Testbedingung einen geringfügig niedrigeren RDS(on) auf, was bei einer gegebenen Sperrschichttemperatur auf geringere Leitungsverluste als beim M3S schließen lässt.

Da es keine Minoritätsträger in SiC-MOSFETs gibt, bedeutet dies, dass Ausschaltströme ihre Leistungsfähigkeit anders als bei Si-IGBTs nicht beeinträchtigen. Dies führt zu deutlich geringeren Ausschaltverlusten. Darüber hinaus haben SiC-Bauelemente eine geringere Sperrverzögerungsladung als Si-MOSFETs, was kleinere Spitzeneinschaltströme und geringere Einschaltverluste bedeutet. Eingangskapazität (Ciss), Ausgangskapazität (Coss), Rückwärtsübertragungskapazität (Crss) und Sperrverzögerungsladung (Qrr) sind die Parameter, die hauptsächlich zu den Schaltverlusten beitragen, wobei kleinere Werte zu geringeren Verlusten führen.

Bei Schaltanwendungen ist die Drain-Source-Spannung während der Schalttransienten deutlich höher als 6 V, und daher ist der Bereich mit höheren Spannungen der kritische Teil dieser Schaltkurven. Hier weist der NVH4L022N120M3S niedrigere Werte für Ciss, Coss und Crss (Bild 3) auf, wenn UDS ≥ 6 V ist. Damit bietet der Baustein geringere Einschalt- und Ausschaltverluste als Wettbewerber A.

Gemessen werden die Schaltenergieverluste für beide Bauelemente mithilfe von Doppelpulstests für verschiedene Laststrombedingungen bei +25 und +175 °C (Bilder 4 und 5). Hier die Testbedingungen:

Uin = 800 V
RG = 4,7 Ω
UGS_on = +18 V
UGS_off = −3 V
ID = 5−100 A

Im Vergleich zu Wettbewerber A wies der M3S im Durchschnitt 5 Prozent geringere Schaltverluste (bei +25 °C) und 9 Prozent geringere Schaltverluste (bei 175 °C) für Lastströme von 10 bis 100 A auf. Verantwortlich dafür ist vor allem die sehr gute EON-Verlustleistung, die auf die M3S-Prozesstechnologie von onsemi zurückzuführen ist.

Wie erwähnt, wirkt sich auch das Sperrverzögerungsverhalten eines MOSFET auf die Schaltverluste aus. Dieser Parameter wird unter Bedingungen getestet, bei denen ID = 40 A und di/dt = 3 A/ns (mit RG-Werten, die für dasselbe di/dt angepasst wurden) und die Temperatur +25 °C beträgt. Auch hier zeigen die Testergebnisse, dass der M3S aufgrund der kürzeren bzw. niedrigeren Sperrverzögerungszeit, -ladung und -energie hier eine bessere Leistungsfähigkeit aufweist als Wettbewerber A.

Boost-PFC und LLC mit zwei Induktivitäten (LL) und einem Kondensator (C) sind gängige Schaltungstopologien in Fahrzeug-Bordladegeräten und DC/DC-Wandlern für hohe Spannungen. So umfasst die Boost-Typ-3-Phasen-PFC-Topologie sechs Schaltgeräte, während die Vollbrücken-LLC-Topologie vier Schaltgeräte sowie einen Synchrongleichrichter auf der Sekundärseite aufweist.

Nach der Bewertung der Leitungs- und Schaltverluste wurden als Nächstes Simulationen (mit PSIM) einer 3-Phasen-PFC-Schaltung vom Typ Boost durchgeführt, um die Systemeffizienz mit jedem MOSFET-Typs separat zu vergleichen – und zwar unter folgenden Testbedingungen:

UaLL = UbLL = UcLL = 400 V
fline = 50 Hz
RG = 4,7 Ω
UOUT = 800 V
fSW = 100 kHz
POUT = 11 kW (max.)

Auch hier zeigen die Simulationsergebnisse, dass das 3-Phasen-Boost-PFC-System mit dem NVH4L022N120M3S in allen Betriebspunkten einen höheren Wirkungsgrad aufweist als die Bauelemente von Wettbewerber A bei gleichem Systemdesign.

SiC-Bauelemente bieten gegenüber herkömmlichen Si-Bauelementen in der Leistungselektronik mehrere Vorteile, darunter einen höheren Wirkungsgrad, geringere Schalt- und Leitungsverluste und die Fähigkeit, bei höheren Frequenzen zu arbeiten. Damit lassen sich Designs mit höherer Leistungsdichte ausstatten.

Im Vergleich zu ähnlichen Produkten des Wettbewerbs bietet M3S von onsemi überlegene Schaltleistung und Leistungskennzahlen, einschließlich ETOT, Qrr, USD und Gesamtsystemeffizienz. M3S wurde speziell auf die Anforderungen schneller Schaltanwendungen in Elektrofahrzeugen wie Onboard-Ladegeräte und High-Voltage-DC/DC-Wandler zugeschnitten. Die M3S-MOSFETs sind so konzipiert, dass sie ein optimales Gleichgewicht zwischen Leitungs- und Schaltverlusten herstellen, wodurch sie sich für PFC- und andere hart schaltende Anwendungen eignen.