Die Vor- und Nachteile von SiC
In Anwendungen wie Wechselrichtern, Motorantrieben und Batterieladegeräten bieten Siliziumkarbid- (SiC) -Vorrichtungen Vorteile wie eine höhere Leistungsdichte, geringere Kühlanforderungen und niedrigere Systemkosten.
Obwohl ein SiC-Gerät mehr kostet als sein Silizium-Pendant, profitiert die Systemebene insbesondere bei 1.200 V und gleicht die höheren Gerätekosten mehr als aus. Die Vorteile im Vergleich zu Silizium sind bei 600 V oder darunter geringfügig. Ein SiC-Chip benötigt speziell entwickelte Gehäuse- und Gate-Treiber, um die Vorteile nutzen zu können.
Vorteile von SiC gegenüber Silizium
Typischerweise beträgt der Energieverlust durch SiC während der umgekehrten Erholungsphase nur 1% des Energieverlusts von Silizium. Das virtuelle Fehlen eines Schwanzstroms ermöglicht ein schnelleres Abschalten und erheblich niedrigere Verluste. Da weniger Energie verbraucht werden muss, kann eine SiC-Vorrichtung bei höheren Frequenzen schalten und die Effizienz verbessern.
Der höhere Wirkungsgrad, die geringere Größe und das geringere Gewicht von SiC können zu einer Lösung mit höherem Nennwert oder einem kleineren Design bei reduziertem Kühlbedarf führen.
Die Leistung von Silizium verschlechtert sich bei höheren Temperaturen, während SiC wesentlich stabiler ist. Eine Siliziumvorrichtung wird normalerweise bei Raumtemperatur überbestimmt, um die Spezifikation bei höheren Temperaturen aufrechtzuerhalten. Normalerweise erfüllt ein SiC-Gerät mit der halben Stromstärke die gleiche Aufgabe wie ein Silizium-IGBT, da SiC bei höheren Temperaturen viel stabiler ist und kein erhebliches Derating erforderlich ist.
SiC arbeitet bei über 10 kV und liegt deutlich über dem, was derzeit verwendet werden kann. Es sind SiC-Geräte mit einer Nennspannung von 1.200 V und 1.700 V erhältlich. Bei Fragen wie Lichtbogenbildung, Kriechstrom und Luftdurchlässigkeit sind Verpackungen zur Begrenzung geworden - nicht die Halbleitertechnologie.
Geringere Verluste
Die Hauptquellen für den Energieverlust in einem SiC-Modul sind Leitungsverluste. Als Material mit großer Bandlücke hat SiC eine geringe Gate-Ladung, was bedeutet, dass SiC viel weniger Energie benötigt, um die Vorrichtung umzustellen.
Diodenschaltverluste werden aufgrund der drastischen Verbesserung der Sperrenergie und des Rückstroms praktisch eliminiert. Die Leitungsverluste der Schalter sind resistiv und daher in beiden Technologien ähnlich. SiC-Prozesse der nächsten Generation versprechen weitere Verbesserungen.
Höhere Frequenzen bedeuten eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht der Magnetik, da die Werte der Komponenten im Transformator-LC-Filter deutlich niedriger werden.
SiC liefert außerdem das 10-fache der mittleren Zeit bis zum Versagen (MTTF) von Silizium und ist 30-fach unempfindlicher gegenüber Strahlung und Ausfall einzelner Ereignisse. SiC hat jedoch eine geringere Kurzschlusstoleranz und benötigt daher einen schnell wirkenden Gate-Treiber.
Ein normaler, harter, abschaltender Übergang (links) und ein weicher abgestufter Übergang, der das di / dt verringert
Das Schalten mit höheren Frequenzen ist für Anwendungen mit niedrigerer Geschwindigkeit normalerweise kein Vorteil. In solchen Situationen sind die Kostenprämie eines SiC-Geräts und die zusätzlichen Überlegungen zum Entwurf nicht vertretbar, sodass ein Silizium-IGBT die logischere Lösung ist.
Es gibt auch eine begrenzte Verfügbarkeit von SiC. Bei 600 V / 650 V ist die Verfügbarkeit von SiC-Bauelementen gering und es handelt sich meist um diskrete Komponenten.
Ein Silizium-IGBT erfordert eine geringere Abschwächung von RFI-Problemen während des Designprozesses. Ein Hochleistungs-Gate-Treiber ist nicht erforderlich, um die Abschaltung zu steuern oder schnell zu reagieren, um das Gerät im Falle eines Kurzschlusses zu schützen.
Gate-Treiber
SiC-Geräte benötigen einen speziell entwickelten Gate-Treiber. Einer, der zum Ansteuern von Silizium-IGBTs konzipiert ist, unterstützt weder die Schaltgeschwindigkeit einer SiC-Vorrichtung noch die schnelle Fehlerreaktionszeit, die zum Schutz einer SiC-Vorrichtung im Kurzschlussfall erforderlich ist.
Sie benötigen außerdem Treiberspannungen, die sich von ihren IGBT-Gegenstücken aus Silizium unterscheiden. Spannungsschienen sind oft asymmetrisch und in der Regel ist eine negative Schiene von wenigen Volt erforderlich, um das Gerät vollständig auszuschalten.
Eine weitere Überlegung ist, dass SiC-Module ein verbessertes Abschalten erfordern. Höhere Frequenz / härteres Schalten kombiniert mit geringeren internen Verlusten führen zu Stromspitzen- und Klingelproblemen.
Die erweiterte oder weiche Abschaltung verwendet Zwischenspannungsstufen, um die Auswirkungen plötzlicher Stromänderungen zu steuern und das Nachschwingen zu mildern. Siliziumbauteile leiden weniger unter dem dämpfenden Effekt von internen Verlusten.
Verpackungsprobleme
Aufgrund der durch SiC erzielten Leistungsverbesserungen ist die Gehäusetechnologie mittlerweile die wichtigste Einschränkung - auch für SiC-optimierte Gehäuse. SanRex (im Bild), Infineon und Wolfspeed haben proprietäre SiC-Pakete entwickelt.
SiC-Gehäuse sind normalerweise kleiner, haben ein niedrigeres Profil und sind thermisch effizienter als Silizium, obwohl sie symmetrisch aufgebaut sein müssen, um die Schleifeninduktivität zu minimieren. Die Vorteile von SiC werden nicht verwirklicht, wenn Dies in traditionellen Gehäusen montiert ist, die für das Schalten bei niedrigeren Frequenzen ausgelegt sind, wobei die Anforderungen an die Anstiegs- und Abfallzeit entspannter sind. Nicht symmetrische Konstruktionen arbeiten aufgrund von Wellenausbreitungseffekten bei höheren Frequenzen schlecht.
Wenn die Vorteile der Technologie verwirklicht werden sollen, müssen SiC-spezifische Gehäuse und Gate-Treiber verwendet werden, was SiC zu einer guten Wahl für neue Systemdesigns macht.
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