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0. Inhalt dieses Artikels

  • Warum Materialien mit großem Bandabstand (WBG) hohe Temperaturen, Spannungen und Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen.

  • Gerätestruktur, Verluste, Gate-Ansteuerung und parasitäre Induktivität in SiC-MOSFETs und GaN-HEMTs.

  • Auswahl für Elektrofahrzeuge, PV-Stromversorgungen, Rechenzentrumsnetzteile und Schnellladegeräte, einschließlich der Grenzen.

1. Warum SiC und GaN wichtig sind

Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) besitzen größere Bandlücken als Silizium. Dadurch sind kleinere, heißere und schnellere Schalter bei gleicher Nennspannung möglich. Der Materialwechsel führt jedoch nicht zu null Verlusten: Gate-Ansteuerung, Layout, Wärmeableitung, EMV und Zuverlässigkeit müssen gemeinsam neu gestaltet werden.

2. Der Materialvorteil

Ein großer Bandabstand unterdrückt thermisch erzeugte Ladungsträger und begünstigt den Betrieb bei hohen Temperaturen. Ein hohes kritisches Feld E_{crit} ermöglicht die gleiche Spannung in einer dünneren Driftzone und kann den Einschaltwiderstand reduzieren. Ein konzeptionelles Baliga-Hochfrequenz-Gütekriterium ist:

BFOM\propto\varepsilon\mu E_{crit}^{3}

mit Permittivität \varepsilon und Mobilität \mu. Die Verluste realer Bauelemente setzen sich aus Leitungsverlusten P_{cond}=I^2R_{on} und Schaltverlusten zusammen,

P_{sw}\simeq\frac{1}{2}VI(t_{on}+t_{off})f_s

sowie Gate-Ladung, Ausgangskapazität, Sperrverzögerung und Gehäuseparasitärkapazitäten.

3. Grundlegende Architektur

Diagram 1 · Use the button to switch views
Wide-bandgap switching designMaterial, device, gate drive, layout, and thermal design form one power semiconductor system MaterialSi / SiC / GaNDeviceMOSFET / HEMTGate drivevoltage / timingLayoutparasitics / EMISystemheat / safety

Abbildung 1 – Die WBG-Performance ist eine Kette von Material, Bauelement, Gate-Ansteuerung, Layout und thermischem Design.

4. SiC-MOSFET

SiC-MOSFETs unterstützen Hochspannungs-Vertikalstrukturen und vermeiden den IGBT-Ruhestrom, wodurch die Abschaltverluste reduziert werden. Sie werden in Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge, PV-Stromversorgungen sowie in Bahn- und Industrieanlagen von mehreren hundert Volt bis in den Kilovoltbereich eingesetzt. Die Sperrverzögerung der Body-Dioden, die Kurzschlussfestigkeit, die Zuverlässigkeit des Gate-Oxids und die Schwellwertdrift lassen sich nicht allein aus statischen Daten ablesen.

5. GaN-HEMT

GaN-HEMTs nutzen ein hochdichtes zweidimensionales Elektronengas an einer AlGaN/GaN-Grenzfläche. Die geringe Gate-Ladung und die hohe Elektronenbeweglichkeit machen sie für den Hochfrequenzbetrieb im Bereich von einigen hundert Volt attraktiv: Wechselstrom. Adapter, Servernetzteile, drahtlose Stromversorgung und Kfz-Zusatzwandler. Dynamischer Einschaltwiderstand, Gate-Überspannung, Schaltspitzen und Laufzeitverzögerung isolierter Treiber sind schwierige Designvariablen.

6. Bauelemente vergleichen

Material/Bauelement Optimaler Bereich Hauptvorteil Zu beachten
Si-MOSFET Niedrige bis mittlere Spannung, niedrige Kosten Ausgereifte Produktion und Ansteuerung R_{on} und Kapazitätsanstieg bei hoher Spannung
Si-IGBT Mittlere/hohe Spannung, hohe Leistung Kosten, Kurzschlussfestigkeit, Erfahrungswerte Der Reststrom begrenzt die Frequenz
SiC-MOSFET Hohe Spannung, hohe Temperatur, mehrere zehn kHz Geringe Leitungs- und Schaltverluste Oxid, Kurzschluss, Gate-Rauschen, Kosten
GaN-HEMT Einige hundert Volt, hohe Frequenz Geringe Gate-Ladung, geringe Magnetisierung Dynamischer R_{on} , Parasitäre Effekte, enges Ansteuerfenster

7. Nebenwirkungen der Schaltgeschwindigkeit

Eine Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit führt zu einem Spannungsüberschwingen aufgrund parasitärer Induktivitäten (L_p).

V_{overshoot}=L_p\frac{di}{dt}

Daher müssen die Leistungs- und Gate-Schleifen kurz sein. Kelvin-Quelle, Gate-Widerstand, RC/RCD-Snubber und aktive Gate-Steuerung begrenzen dies. Schnelle Flanken erhöhen außerdem den Gleichtaktstrom und führen zu elektromagnetischen Störungen (EMI) in Kommunikations- und Sensorsystemen. Abschirmung, Filterung und Erdung müssen daher in die Leistungsschaltung integriert werden.

8. Wärme, Zuverlässigkeit und Sicherheit

Die Sperrschichttemperatur lässt sich mit folgender Formel abschätzen:

T_j=T_a+P_{loss}(R_{th,jc}+R_{th,cs}+R_{th,sa})

wobei T_a die Umgebungstemperatur ist und die Größen die Wärmewiderstände zwischen Sperrschicht und Gehäuse, Gehäuse und Kühlkörper sowie Kühlkörper und Umgebung bezeichnen. WBG eliminiert den Wärmewiderstand nicht. Lötstellen und Bonddrähte müssen unter Temperaturwechselbeanspruchung auf Ermüdung geprüft werden. Ebenso sind die Gate-Oxid- und Gehäuseisolierung sowie die Timing-Koordination von Kurzschlüssen zu testen. Schutz.

9. Praktische Entscheidungen

  • Elektrofahrzeug-Traktionswechselrichter: Vergleichen Sie Spannung, Kurzschlussfestigkeit, Kühlung, Rückspeisung und EMV über den gesamten Fahrzyklus; überprüfen Sie, ob die SiC-Verlustreduzierung tatsächlich zu einer Verkleinerung des Kühlers führt.

  • Netzteile und Server-Netzteile: GaN kann die Magnetik durch Frequenzverkleinerung reduzieren, aber überprüfen Sie vorher Layout und Kriechstrecken.

  • Photovoltaik-Leistungswandler und Speicher: Verwenden Sie den gewichteten Durchschnittswirkungsgrad über Teillast, Bidirektionalität, Lebensdauer, Verschleißteile und Netzoberwellen.

  • Prototyp: Kopieren Sie niemals blind die Wellenformen der Evaluierungsplatine; berücksichtigen Sie die Masseinduktivität der Sonde in der Messunsicherheit.

10. Drei-Linien-Zusammenfassung

SiC und GaN nutzen große Bandlücken und hohe kritische Felder, um schnelles Schalten bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen zu ermöglichen.

Ihr Vorteil zeigt sich erst, wenn Gate-Ladung, Sperrverzögerung, parasitäre Induktivität, Wärme und EMV gemeinsam berücksichtigt werden.

Definieren Sie Spannung, Frequenz, Lastfaktor und Sicherheitsstandards und messen Sie dann, ob die große Bandlücke die Systemleistung tatsächlich reduziert. Verluste.

Verwechseln Sie die Werte im Datenblatt eines Bauteils nicht mit dem Wirkungsgrad des gesamten Wandlers. Leitungsverluste hängen von der Stromwellenform und der Temperatur ab; Schaltverluste von der Überlappung von Spannung und Strom sowie der Frequenz; und Gate-Ansteuerverluste von der Gate-Ladung und der Ansteuerspannung. Vergleichen Sie das gleiche Lastprofil, die gleichen Kühlbedingungen und die gleiche Messbandbreite, einschließlich Halbleiter, Magnetik, Kühler und EMV-Schutzmaßnahmen. Überprüfen Sie außerdem die Kurzschlussschutzzeit, Kriech- und Luftstrecken sowie den sicheren Zustand nach einem Fehler unter Produktionsbedingungen; die Implementierung sollte die Schutzkoordination und die Wartungsfreundlichkeit berücksichtigen.

Führen Sie vor der Produktion beschleunigte Tests über verschiedene Temperatur-, Spannungs- und Lastfaktoren durch, um zu bestätigen, dass die Wirkungsgradsteigerungen und die Zuverlässigkeitsmarge eingehalten werden. Ein Ergebnis eines Evaluierungsboards ist kein Schlussfolgerungsergebnis für die Produktion.

Überprüfen Sie Ihr Verständnis
Verbessert der Austausch von SiC gegen GaN automatisch den Wirkungsgrad?

Gate-Ansteuerung, parasitäre Effekte, Kühlung und Frequenz bestimmen ebenfalls die Wandlerverluste. Unterscheiden Sie die Bauteileigenschaften von den Systemeigenschaften. Leistung.

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