Verringerung der Verluste in Hochspannungs-Schaltnetzteilen mit Siliziumkarbid-MOSFETs

Die Zahl und die Vielfalt der Anwendungen der Leistungselektronik, von Elektrofahrzeugen und Photovoltaik-Wechselrichtern bis hin zu Speicher- und Ladestationen, nimmt weiter zu. Diese Anwendungen erfordern höhere Betriebsspannungen, eine größere Leistungsdichte, geringere Verluste, einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Zuverlässigkeit. Diese Anforderungen können mit Leistungsbauelementen erfüllt werden, die auf Technologien mit breiter Bandlücke (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) basieren, einer Technologie, die ständig verbessert wird.

Warum SiC?

Im Vergleich zu Si weisen WBG-Halbleitermaterialien wie SiC Eigenschaften auf, die sie zu einer ausgezeichneten Wahl für die Entwicklung von Schaltnetzteilen machen. Die Bandlücke bezieht sich auf die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus dem Valenzband eines Materials in sein Leitungsband zu bringen. Die größere Bandlücke von SiC ermöglicht eine höhere Betriebsspannung. Weitere wichtige Eigenschaften sind Wärmeleitfähigkeit, Durchlasswiderstand, Elektronenbeweglichkeit und Sättigungsgeschwindigkeit.

Die Wärmeleitfähigkeit misst, wie schnell Wärme vom Halbleiterübergang an die Umgebung abgegeben wird. Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist fast dreimal besser als die von Si. Dadurch können SiC-Bauteile leichter gekühlt werden, was ihnen höhere Temperaturnennwerte verleiht und es ermöglicht, dass SiC-Halbleiter dünner sind als ein gleichwertiges Si-Bauteil mit einem ähnlichen Spannungswert. Das Ergebnis sind kleinere Geräte für eine bestimmte Spannung und Nennleistung.

SiC ermöglicht es den Entwicklern, die stromdurchflossene Fläche bei gleicher Chipgröße zu vergrößern und so den Widerstand des Bauteils zu senken. Daraus ergibt sich der wichtigste Vorteil von SiC-Bauelementen: ein geringerer Kanal-Durchlasswiderstand (R_DS(ON)) bei Bauelementen mit denselben Spannungswerten. Der niedrigere R_DS(ON) führt zu geringeren Leitungsverlusten und damit zu einem höheren Wirkungsgrad.

SiC-Halbleiter bieten eine größere Elektronenbeweglichkeit, so dass sie mit höheren Frequenzen arbeiten können als Si-Bauelemente. Der Betrieb von Leistungsschaltungen mit einer höheren Schaltfrequenz ermöglicht erhebliche Kosteneinsparungen durch die Verkleinerung von passiven Komponenten wie Transformatoren, Drosseln, Induktivitäten und Kondensatoren. Durch diese Verkleinerung wird auch das Volumen dieser Komponenten reduziert, was zu einer höheren Gesamtleistungsdichte führt.

Die Sättigungsgeschwindigkeit ist die maximale Geschwindigkeit eines Elektrons in einem hohen elektrischen Feld. In SiC-Halbleitern ist die Elektronengeschwindigkeit doppelt so hoch wie in Si-Halbleitern, was zu schnelleren Schaltzeiten und geringeren Schaltverlusten führt.

Neueste Beispiele für SiC-MOSFETs

Aufbauend auf den Kernvorteilen von SiC hat Vishay die 1200-Volt-SiC-MOSFETs der Serie MaxSiC eingeführt. Die Serie nutzt die proprietäre MOSFET-Technologie, um R_DS(ON)-Werte von 45, 80 und 250 Milliohm (mΩ) in Standardgehäusen für industrielle Anwendungen wie Traktionswechselrichter, PV-Energieumwandlung und -speicherung, Onboard-Ladegeräte und Ladestationen zu liefern. Die Serie zeichnet sich durch hohe Schaltgeschwindigkeiten und eine Kurzschlussfestigkeit (SCWT) von 3 Mikrosekunden (µs) aus.

Die MaxSiC-MOSFETs sind N-Kanal-Bauelemente, die für eine maximale Drain-Source-Spannung (V_DS) von 1200 Volt ausgelegt sind und bei Temperaturen von -55 bis 150°C betrieben werden können. Für jeden R_DS(ON)-Wert sind die Bauelemente in zwei durchkontaktierbaren Standardgehäusen erhältlich. Die maximale Verlustleistung und der maximale Drainstrom variieren je nach Modellnummer, wobei die maximale Verlustleistung und der maximale kontinuierliche Drainstrom (I_D) 227 Watt bzw. 49 Ampere (A) betragen (Tabelle 1).

Die aufgeführten MaxSiC-MOSFETs sind entweder in einem drei- oder vierpoligen TO247-AD-Gehäuse erhältlich (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die MaxSiC-MOSFETs sind in drei- und vierpoligen TO-247AD-Gehäusen erhältlich. (Bildquelle: Vishay)

Das vierpolige Gehäuse fügt eine Kelvin-verbundene Leitung für die Gate-Treiberverbindung hinzu, um die Kopplung des Drain-Strom-Spannungsabfalls in den Source-Leitungsverbindungen zu minimieren.

Die MaxSiC-MOSFETs eignen sich gut für Anwendungen, die Schaltvorgänge mit mehr als 600 Volt und Leistungen bis 227 Watt erfordern, wie 400- und 800-Volt-Autobatteriesysteme, PV-Stromquellen und Ladestationen.

Fazit

Die MaxSiC-MOSFETs von Vishay sind innovative Hochleistungsbauelemente für die Automobil- und Stromversorgungsindustrie. Sie bieten höhere Spannungsspezifikationen als Standard-Si-Bauelemente und einen geringeren Kanalwiderstand, was sie ideal für Designs macht, die geringe Verluste und eine hohe Effizienz erfordern.