SiC-Halbleiter von Cree, SiC-Module von Powersem
Mit SiC-Power-Modulen Leistung hocheffizient wandeln
Die Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter wie SiC und GaN haben aufgrund ihrer physikalischen Überlegenheit gegenüber Si niedrigere Schaltverluste und eine bessere thermische Leitfähigkeit und sind daher ideal geeignet für hohe Schaltfrequenzen. Aufgrund der längeren Marktpräsenz und somit ausgereifterer Produkte ist insbesondere die SiC-Technologie ein erfolgversprechender Ansatz.
Im Bereich Power Management hat MEV Elektronik seit langem SiC-Komponenten im Programm und erweitert sein Portfolio in diesem Bereich fortlaufend. So gehören SiC-Dioden, SiC-MOSFETs und neuerdings auch SiC-Module von Cree inzwischen zum Spektrum des Spezialdistributors. Bei den Leistungsmodulen kann die MEV momentan zwei Versionen von SiC-Modulen anbieten: Zu Beginn des Jahres hat Cree Inc. mit dem CAS100H12AM1 das industrieweit erste voll qualifizierte Halbbrücken-Modul vorgestellt. Die Halbbrücke hat folgende Ratings: RDS(on) = 16 mΩ (5 x CPMF-1200-S080B parallel), VDS = 1200 V und ID = 105 A @ Tc = 100°C. Als Basisplattenmaterial wird AlSiC benutzt, um das Gewicht möglichst gering zu halten, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und einen idealen Temperaturausgleich unter den Chips zu ermöglichen. Durch die MOSFET-Technologie lassen sich alle Vorteile von SiC wie hohe Zuverlässigkeit, hohe Schaltfrequenzen und geringe Schaltverluste voll ausnutzen. Durch die unipolare Struktur des MOSFETs kann der Strom sehr schnell abgeschaltet werden, weil es keinen Schweifstrom gibt.
Mit SiC-Power-Modulen Leistung hocheffizient wandeln
Ein weiteres Modul hat Cree auf der PCIM 2013 mit dem CCS050M12CM2 vorgestellt, ein 3-Phasen-SiC-Modul, mit dem sich die Probleme im Design mit herkömmlichen Modulen umgehen lassen. Das Six-Pack enthält Dies der zweiten Generation SiC-MOSFETs und der fünften Generation SiC-Dioden von Cree. Durch die Verkleinerung der Die-Fläche bei gleichzeitiger Reduzierung der Kapazität ermöglicht die neuste Generation SiC-Chips eine deutlich bessere Leistung bei gleichzeitig reduzierten Kosten. Das Modul hat folgende Ratings: VDS = 1200 V, ID = 50 A @ T = 100°C, RDS(on) = 25 mΩ @ Tj = 25°C. Außerdem ist es für eine maximale Sperrschichttemperatur von Tj = 150°C ausgelegt. Addiert man die Verluste auf, hat man im Vergleich zu einem Si-IGBT Modul der vierten Generation bis zu sechsmal kleinere Verluste. Zusätzlich ist das Modul für eine hohe thermische Leitfähigkeit ausgelegt und ist im standardisierten Industrie-Package bei MEV Elektronik ab Lager verfügbar. Der größte Vorteil des SiC-Moduls liegt allerdings im »Derating«, das beim Si-IGBT durch die hohen Verluste und das thermische Verhalten nötig wird. Beim angegebenen Strom sind die Durchlassverluste gleich, allerdings wird aus Sicherheitsgründen ein IGBT niemals bei maximal angegebenen Strom betrieben. Durch die lineare Kennlinie beim MOSFET ergibt sich bei einer Reduktion des Stromes von 50 A auf zum Beispiel 15 A ein VCE = 1,2V bzw. VDS = 0,6 V, womit auch die Durchlassverluste geringer sind.
Im CCS050M12CM2 ist eine SiC-Freilaufdiode enthalten, die im Gegensatz zur Si-Diode eine Schottky- und keine pin-Struktur besitzt. Damit ist das Qrr rein kapazitiv und somit temperaturunabhängig und vom Betrag her wesentlich kleiner. Somit kann mit SiC nicht nur verlustarm, sondern auch schneller eingeschaltet werden. Beim Abschaltverhalten liegt der SiC-MOSFET bei etwa 30% der Energie des IGBT. Außerdem kann man den Schweifstrom erkennen, der nur beim bipolaren IGBT in Erscheinung tritt. Ein weiteres wichtiges Detail im Vergleich zwischen Si-IGBT und SiC-MOSFET sind die Oszillationen in den Kurven des MOSFETs. Dies ist ein normales Verhalten für SiC-Leistungshalbleiter, welches durch die schnellen Schaltfrequenzen bedingt ist. Um das Ringing zu reduzieren, wurde der MOSFET mit einem externen Gatevorwiderstand von RG,ext. = 20 Ω und der IGBT mit RG,ext. = 5 Ω beschaltet. Obwohl der Gatevorwiderstand viermal größer ist, liegen die Schaltenergien bei ca. 30% im Vergleich zum IGBT. Interessenten bietet MEV Elektronik weitere Details auf einem Seminar zum Thema, das im Oktober stattfindet. Zusätzliche Informationen stehen unter www.mev-elektronik.com/seminare zum Abruf bereit. Für Evaluierungszwecke hat Cree ein Demo-Gate-Treiber-Board entwickelt. Erhältlich ist das Entwicklungs-Tool ebenfalls bei MEV.
MEV Elektronik bietet aber nicht nur Standard-Module an: »Seit Beginn 2013 arbeiten wir sehr eng mit der Firma Powersem zusammen«, erklärt Torben Niermeyer, Linemanager von MEV. Durch die Kooperation mit Powersem kann der Spezialdistributor seither auch mit kundenspezifischen SiC-Modulen aufwarten. MEV agiert als weltweiter Repräsentant und technischer Vertrieb für die Powersem GmbH in Sachen SiC-Module und führt mit dem Kunden auch die technische Definition für die Entwicklung durch. Die SiC-Halbleiterchips für die Module kommen von Cree und werden von Powersem verbaut. Als Gehäuseformen setzt Powersem SiC-Eco1 und SiC-Eco2 ein, die kompatibel zum Industriestandard sind und in den Bauhöhen 9 mm und 17 mm und als SiC-Slim mit nur 6 mm Bauhöhe zur Verfügung stehen. Bei allen Packages kann der Kunde zwischen vergoldeten lötbaren Kontakten oder Einpress-Kontakten wählen.
»MEV unterstützt die SiC-Modul-Technologie schon seit geraumer Zeit. Durch den starken Fokus auf technische Projektunterstützung und die Erfahrung im Bereich Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter ist MEV ein sehr wichtiger Partner für uns. MEV sammelt nicht nur das Feedback der Kunden vor Ort, sondern kann durch technische Kompetenz auch das Design der Module unterstützen. Das erlaubt es uns, die Module exakt nach Kundenanforderungen zu fertigen«, so Madan Mohan Chadda, Geschäftsführer von Powersem.
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