Gute Chancen Steigende Spannungsanforderungen erfordern Siliziumkarbid-Bauelemente

In den Bereichen Automotive und erneuerbare Energien geht der Trend zu höheren Spannungen, um diese Ziele zu erreichen. Dafür müssen SiC-Bauelemente zur Verfügung stehen, die bei diesen Spannungen arbeiten können. Der Übergang zu höheren Spannungen, zur Effizienzsteigerung, beruht auf dem grundlegenden Ohmschen Gesetz. Es besagt, dass die Verluste mit dem Quadrat des Stroms zunehmen, so dass ein geringerer Strom vorteilhaft für eine höhere Effizienz ist.

Es besagt auch, dass wir bei gleicher Leistung die Spannung verdoppeln müssen, wenn wir den Strom halbieren wollen. Durch den halben Strom werden die statischen Leitungsverluste in Halbleitern und Kabeln um den Faktor vier reduziert. Genau aus diesem Grund arbeiten die Stromnetze mit hohen Spannungen. Auch wenn es daher naheliegend ist, dass Industrie- und Automotive-Anwendungen auf sehr hohe Spannungen umgestellt werden, ist dies aufgrund der verfügbaren Bauelementen, die solche Spannungen unterstützen nicht praktikabel.

Leistungselektronik schalten

In einem Schaltnetzteil hat Leistungselektronik drei Funktionen: Sperren, Leiten und Umschalten zwischen diesen beiden Funktionen. Mit zunehmender Spannung liegt die Herausforderung in der Sperrfunktion, da hohe Spannungen über dem Bauelement auftreten, die ohne geeignetes Design und Material zu einem Ausfall führen können.

Um die Effizienzvorteile beim Betrieb mit höheren Spannungen wirksam nutzen zu können, sind SiC-Bauelemente mit höheren Sperrspannungen an den Drain- und Source-Pins (U_DS) erforderlich. Derzeit finden sich auf dem Markt viele Bauelemente mit 650 V Nennspannung – und Bauteile mit 1.200 V Nennspannung werden immer häufiger. Für diese höheren Spannungen sind jedoch Komponenten mit höherer Nennspannung zwingend erforderlich. Hier ist ein angemessener Entwicklungsspielraum nötig, um die geforderte Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Hohe Spannungen

Anwendungen, die mit höheren Leistungsniveaus arbeiten, profitieren erheblich von einer besseren Effizienz. Im Bereich erneuerbarer Energien werden Wind- und Solarstromerzeugung auf höhere Spannungen umgestellt. Bei Photovoltaik-/PV-Anlagen wurde die Zwischenkreis-/DC-Busspannung der PV-Module von 600 auf 1.500 V erhöht, um den Wirkungsgrad zu verbessern.

Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet hier, dass mehr natürliche Sonnen- oder Windenergie zur Verfügung steht, die sofort genutzt oder für eine spätere Verwendung gespeichert werden kann. Beide Energieformen haben zwar scheinbar eine unbegrenzte Kapazität, sind aber wetterbedingten Schwankungen unterworfen, die die Leistung begrenzen können. Ist das System effizienter, ist es auch kleiner und leichter, was ein Vorteil für Dachinstallationen ist.

Einer der Gründe für das langsamer als erwartet verlaufende Wachstum bei Elektrofahrzeugen ist die Ladezeit und die begrenzte Reichweite der Batterien. Um dieses Problem zu lösen, ersetzen die Fahrzeughersteller 400V-Batteriestränge durch 800V-Versionen. Die Ladegeschwindigkeit wird durch die Ausgangsleistung des Ladegeräts bestimmt, die durch die Systemspannung und den Ausgangsstrom begrenzt wird. Ein höherer Strom verkürzt zwar die Ladezeiten, erhöht aber auch die Wärmeentwicklung und den Energieverlust des Systems, wodurch die Effizienz des Ladegeräts sinkt und der Kühlbedarf steigt. Eine höhere Spannung bei ähnlichem Stromniveau steigert hingegen die Ausgangsleistung des EV-Ladegeräts erheblich. Dies verkürzt die Ladezeit, ohne dass sich die thermischen Anforderungen erhöhen oder die Systemeffizienz sinkt. Durch den geringeren Strom und die verbesserte Effizienz reduzieren sich Größe, Kosten und Gewicht des On-Board-Ladegeräts (OBC), da dünnere Kabel zum Einsatz kommen und weniger Kühlkörper erforderlich sind. Da das OBC im Fahrzeug verbleibt, führt jede Gewichtsreduzierung zwangsläufig zu einer größeren Reichweite des Fahrzeugs.

Mit Blick in die Zukunft, wenn Elektroantriebe in Nutzfahrzeugen Einzug halten, werden die Batterien deutlich größer sein, und es muss mehr Energie effizient übertragen werden, um in angemessener Zeit zu laden. Als Richtwert ist das Megawatt-Ladesystem (MCS) für eine Ladeleistung von 3,75 MW (3.000 A bei 1.250 VDC) ausgelegt.

SiC-Durchbruchspannung

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Halbleiter-Leistungsbauelementen in vertikaler Struktur mit höheren Durchbruchspannungen besteht darin, dass die Leitungsverluste aufgrund eines erhöhten RDS(ON) entsprechend zunehmen. Die Driftschicht ist bei Bauelementen mit höheren Durchbruchspannungen dicker, was zu einem Anstieg der Leitungsverluste führt. Eine erhöhte Betriebsspannung bringt zwar Vorteile für den Wirkungsgrad, doch dies wird durch den entsprechenden Anstieg der Leitungsverluste innerhalb des MOSFETs teilweise oder ganz zunichte gemacht. SiC-Leistungsbauelemente bieten jedoch höhere Durchbruchspannungen mit einer wesentlich dünneren Driftschicht als das entsprechende Si-Bauelement. Dies führt zu einem geringeren Durchlassspannungsabfall und weniger Leitungsverlusten.

Moderne SiC-MOSFETs

Da MOSFETs mit Durchbruchspannungen, die über der Betriebsspannung liegen, benötigt werden, hat Onsemi neue SiC-MOSFETs speziell für den Einsatz in solchen Anwendungen entwickelt.

Der NTBG028N170M1 ist ein n-Kanal-Planar-EliteSiC-MOSFET, der für schnelle Schaltanwendungen bei hohen Spannungen mit einer U_DSS von 1.700 V und einer erweiterten U_GS von -15/+25 V optimiert ist. Der Baustein unterstützt Drain-Ströme (I_D) von bis zu 71 A im Dauerbetrieb und 195 A im gepulsten Betrieb. Der robuste Baustein minimiert Leitungsverluste mit einem sehr guten R_DS(ON) von nur 28 mΩ (typ.), während eine niedrige Gate-Ladung (Q_G(tot)) von nur 222 nC für geringe Verluste im Hochfrequenzbetrieb sorgt. Der Baustein wird im D2PAK-7L-SMD-Gehäuse ausgeliefert, das parasitäre Effekte während des Betriebs verringert.

Unterstützt werden die MOSFETs durch onsemi SiC-Schottky-Dioden mit einer Nennspannung von 1.700 V. Sie erhöhen den Spannungsspielraum zwischen U_RRM und der Dioden-Spitzensperrspannung. In anspruchsvollen Anwendungen liefern die 1.700V-Dioden eine niedrigere U_FM, eine maximale Durchbruchspannung und geringsten Leckstrom in Sperrrichtung – selbst bei hohen Temperaturen. Somit ist ein stabiler High-Voltage-Betrieb bei erhöhten Temperaturen sichergestellt.

Fazit

In Bereich der Leistungselektronik ist Effizienz ein vorrangiges Ziel. Sie senkt die Betriebskosten und ermöglicht kleinere, leichtere und kostengünstigere Designs. Da hocheffiziente Halbleiter bereits Standard sind, suchen Entwickler in anderen Bereichen des Systems nun nach Möglichkeiten, die Effizienz zu steigern. Eine höhere Systemspannung reduziert den Strom und sorgt für geringere Verluste. Dies hat sich jedoch bisher als äußerst schwierig erwiesen, da eine höhere Durchbruchspannung von MOSFETs auch deren Leitungsverluste deutlich erhöht.

Die MOSFETs von Onsemi basieren auf SiC, wobei sich die Durchbruchspannung ohne nennenswerte Auswirkungen auf die Leitungsverluste erhöhen lässt. Daher bieten Bausteine wie der NTBG028N170M1 eine U_DSS-Fähigkeit von 1.700 V bei gleichbleibend niedriger Verlustleistung.