Die Treiber SKYPER 12 und 42 LJ bieten die notwendige Dynamik und Robustheit für SiC-Lösungen bis 100 kHz. 7 kV Burst-Festigkeit und 8 Mio. h Zuverlässigkeit sorgen für stabilen Feldeinsatz.

Der Markt für Leistungselektronik betrug im Jahr 2016 über 30 Milliarden $ (Quelle IHS Markit). Diesen Markt bedient heute nahezu ausschließlich die Silizium-basierte Leistungselektronik. Neue Forderungen bestimmter Anwendungen bzgl. Integrationsfähigkeit, Effizienz oder Schaltgeschwindigkeit können Silizium basierte Lösungen an das physikalische Limit bringen. In die Anwendung integrierte Antriebslösungen benötigen minimale Abwärme der Leistungselektronik, neue Spannungsversorgungskonzepte müssen auf die Hälfte der Größe und der Verlustleistung getrimmt werden und neue Systemansätze benötigen höchste Frequenzen um passive Bauteile zu reduzieren oder die Performance des Endsystems zu erhöhen. In vielen Bereichen werden heute alternative Stromrichter Topologien, wie Multilevel oder Interleaved eingesetzt, um die Effizienz und die Performance zu erhöhen. Neue Materialen wie SiC, GaN oder (Ga2O3) können hier helfen die Komplexität des Systems und somit der Regelung zu reduzieren und gleichzeitig die Performance zu erhöhen.

Mit 15 Jahren Forschungshistorie ist Siliziumkarbid die heute am weitesten fortgeschrittene Technologie in diesem Bereich. Die vorausgesagten Wachstumsraten gemäß den Marktforschungsinstituten liegen bis ins Jahr 2025 im Bereich von 20% jährlich (Quelle Yole). Motivation genug, die Herausforderungen beim Einsatz dieser Technologie genauer zu beleuchten. Der Einsatzbereich von SiC startet heute bei 600V und geht potentiell bis 25 kV. Der große technologische Vorteil im Vergleich zu Silizium ergibt sich aus den hohen Schaltgeschwindigkeiten und den niedrigen Schaltverlusten, die die MOSFET-Struktur ermöglicht.

Der effiziente Einsatz dieser Technologie bedingt aber auch erhöhte Anforderungen an die Peripherie. Um die Verlustleistung gering zu halten muss schneller geschaltet werden und umso niederinduktiver müssen die Modulgehäuse die Zwischenkreisanbindung ermöglichen. Die Ansteuerelektronik soll mit mehr Ausgangsleistung immer kleiner werden und schneller schalten bei gesteigerter Störfestigkeit.

Um SiC effizient ansteuern zu können, muss das Schaltverhalten der neuen Technologie genau analysiert werden. In der Regel sind es die applikationsnahen Bedingungen, z.B. das Abschaltverhalten über den kompletten Temperaturbereich oder der Betrieb in realer EMV Umgebung, welche die besonderen Herausforderungen erst identifizieren. Das Hauptkriterium für den Einsatz von SiC MOSFETs ist derzeit das Potenzial, die Schaltverluste zu reduzieren. Für die Ansteuerelektronik kann man diesen Effekt durch reduzierte Gatewiderstände und Totzeiten signifikant verstärken.

Bild 1: Sicheres Schalten von SiC über 18V (Quelle Rohm)

Hybride SiC Leistungsmodule, d. h. ein schnell schaltender Siliziumbasierter IGBT mit einer effizienten SiC-Schottky-Diode, erfordern keine speziellen Lösungen von Seiten der Ansteuerelektronik. SiC MOSFETs haben dahingegen höhere Anforderungen an die Ansteuerelektronik. Heute verfügbare SiC Generationen benötigen andere Ansteuerspannungen. Der Bereich reicht von -3V bis -5V zum Ausschalten und +15V bis +20 V für das Einschalten. Ziel für zukünftige Chipgenerationen ist es die Standard Spannung mit +15V/-5V von Si zu ermöglichen.

SiC hat eine höhere Trägermobilität und kann aufgrund der höheren Durchschlagsfestigkeit wesentlich dünner aufgebaut werden, was weniger Widerstand je Fläche bedeutet. Damit einher geht das Verhältnis von sinkenden Einschaltwiderstand bei steigender Gatespannung. Die Widerstandsänderung erfährt eine Sättigung über 18V. Dieser Effekt führt auch zu einer Veränderung des  Millerplateaus von SiC MOSFETs über den Temperatur- und Strombereich. Zukünftige Chipgenerationen zielen darauf ab, diesen Effekt auf das Spannungsniveau von 15V zu begrenzen.

Das Millerplateau kann (abhängig vom Strom und der Temperatur) zwischen 3V bis 16V liegen. Zur Vermeidung ungeplanter Schaltzustände muss die Ansteuerelektronik toleranzfrei eine Gatespannung über 18V für einen sicheren Einschaltprozess liefern. SEMIKRON löst diese Forderung durch sekundärseitige Spannungsregelung, die zuverlässig eine temperaturunabhängige ON-Gatespannung liefern.

Bild 2: Schnelle VDS Erfassung löst Herausforderung schneller SiC Wechselrichter

Diese erhöhte Gatespannung bedingt jedoch auch einen anderen Effekt. Der Draintrom ist grob proportional zu (UG-UTH)². Das bedeutet dass die erhöhte Gatespannung zu einem erhöhten Kurzschlussstrom führt, welcher im Bereich vom zehnfachen Nominalstrom im Vergleich zu ca. vierfachen Nennstrom bei Si-IGBTs liegen kann. Um eine Erhöhung der Gatespannung und damit einen höheren Kurzschlussstrom zu vermeiden, kann ein zusätzliches Gate Clamping helfen.

Dazu kommt, dass SiC MOSFETs kleiner sind und bei höherer Kurzschlussleistung eine geringere thermische Kapazität besitzen. Daraus resultiert eine verkürzte Kurzschlussfestigkeit von SiC MOSFETs. Standard Si IGBTs liegen im Bereich von 6-10µs, heute noch mit einer gewissen Sicherheitsmarge. SiC MOSFETs liegen je nach Hersteller heute in den Bereichen von 3-5µs, bei zukünftigen Entwicklungen liegt das Ziel größer 5µs. Die Höhe des Kurzschlussstroms und die damit einhergehende Überspannung während des Abschaltens kann durch verschiedene Maßnahmen, wie Gatespannungsreduktion oder mehrstufige Abschaltalgorithmen erreicht werden. Die große Herausforderung liegt jedoch in der schnellen Erfassung und Reaktion durch die Ansteuerelektronik. Somit muss eine effiziente Kurzschlusserfassung den Überstrom rechtzeitig erkennen um thermische Überlast zu vermeiden und den Ausschaltprozess in der Form zu verlangsamen, dass die Drain Source Spannungen nicht zu hoch werden.

Die Erfassung in SEMIKRONs SKYPER Treibern erfolgt durch den Vergleich der VDS Spannung mit einer dynamischen Referenzlinie. Die Grenzen werden durch die Ausblendzeit und die Auslöseschwelle an das jeweilige Modul angepasst. Die Hochspannungsdiode und der Serienwiderstand haben definierte Offsetspannungen mit geringen Toleranzen. Die Bandbreite, also die Geschwindigkeit der Erfassung kann unabhängig von der Eingangsimpedanz angepasst werden. Somit reagiert der Treiber im Falle eines sehr schnellen, niederinduktiven Kurzschlusses ohne Ausblendzeit. Die Diode hört bei starker Spannungsänderung auf zu leiten, der Filterkondensator CI wird geladen und die Treiberelektronik kann je nach Filterauslegung unter 1µs reagieren. Die SKYPER Familie schaltet in diesem Fall mit einer separaten Ausgangsstufe soft mit Widerstandswerten im Bereich von 15-40 Ohm, also ca. dem 20-fachen Standard-Gatewiderstand ab und vermeidet dadurch zuverlässig Überspannungen oder kritische Oszillationszustände.

Bei der Auslegung der Auslöseschwelle muss berücksichtigt werden, dass die Durchlassspannung linearer und nicht im gleichem Maß wie die Collector Emitter Spannung des Si-IGBTs bei Entsättigung ansteigt. Dazu kommen die generell geringeren Durchlassspannungen je Fläche von SiC im Vergleich zu Si. In Abhängigkeit des verwendeten Modul/Chips liegen effiziente Kurzschluss-Auslöseschwellen in Bereichen von 2-4V im Vergleich zu 6-8V bei IGBT Lösungen.

Bild 3: Anpassung der Gatespannungen über effiziente Potenzialverschiebung

Eine weitere Herausforderung liegt in den Schaltschwellen. SiC-MOSFETs haben mit ca. 3V im Vergleich zu Si IGBTs geringere Thresholdspannungen mit einem im Vergleich zum IGBT starken Temperaturkoeffizient.

Das führt zu dem Risiko, dass bei üblichen Betriebstemperaturen und den höheren di/dt-Werten ein ungeplantes Aufziehen der Gatespannung aufgrund von Einkoppeleffekten erfolgt. Das gilt sowohl für normale Schalt- wie auch für Kurzschlussschaltsituationen. Zwei Maßnahmen können hier Abhilfe schaffen, eine möglichst niederinduktive Gateanbindung und ein Gateclamping.

Dazu kommt, dass die durch den Komplementärschalter eingekoppelten Ströme das Gate zusätzlich negativ aufladen, was den Chip aufgrund er dünnen Gateoxidschicht beschädigen kann. SEMIKRON Treiber bieten als Sicherheitsfeature wahlweise ein Gateclamping auf den Adapterplatinen für die SKYPER Treiber Cores oder ein aktives Gateclamping in den höher integrierten IPMs wie SKiiP4. Die Anpassung der Gatespannungen erfolgt über eine Verschiebung des Source-Potenzials. Die Z-Diode limitiert die negative Gatespannung auf -5V und verschiebt die positive Gatespannung über 18V. Der Widerstand definiert den Stromfluss und verhindert einen Spannungseinbruch. Somit kann eine kosteneffiziente und robuste Ansteuerlösung für heutige SiC Module sicher gestellt werden. Diese Prinzip bietet SEMIKRON für verschiedene Modul- und Treibertypen wie SKYPER 12 oder SKYPER 42 LJ von 20kW bis zu 250kW.

Bild 4: Schalten mit 30kv/µs ermöglicht durch 2nH Streuinduktivität

Die nächste Herausforderung sind die Modulinduktivitäten der Gehäuse, in welche die SiC MOSFETs eingebaut sind. Diese bilden im Gatepfad in Kombination mit den Chipkapazitäten Schwingkreise und führen zu unterschiedlichen Einkoppeleffekten. Generell reduziert eine Gatepfadinduktivität die Stromsteilheit der Ansteuerelektronik in das Gate und verlangsamt damit den Gatelade- und Entladeprozess. Jedoch schlägt dieser Effekt ab einem gewissen Sättigungsgrad in die Gegenrichtung um und die gespeicherte Energie in den Gatepfaden beschleunigt den Einschaltprozess zusätzlich.

Aufgrund der geringen Gatewiderstände, die für das schnelle SiC Schalten benötigt werden, entfällt die Dämpfung durch den Widerstand dieses Schwingkreises. Das erfordert eine möglichste niederinduktive Treiberanbindung und die Optimierung der Gatewiderstände zwischen Schwingverhalten und Verlusten über den kompletten Temperaturbereich.

Heute verfügbare SiC Module limitieren häufig aufgrund dieser interner Streuinduktivitäten die maximalen Stromsteilheiten und damit die Schaltfrequenz bis ca. 100 kHz. Für die Treiberelektronik ist zu berücksichtigen, dass die Gatekapazität von SiC MOSFETs vergleichbar mit den Si IGBTs-Kapazitäten ist. Der notwendige Ansteuerstrom für die Leistungsschalter ergibt sich aus dem Produkt von Gatekapzität und Schaltfrequenz. Somit bedeutet eine Erhöhung der Schaltfrequenz von einem SI-IGBT 300 A Modul mit 10kHz auf ein SiC Modul mit 50 kHz eine Steigerung der notwendigen Ansteuerleistung um 400%. Diese Mehrleistung erfordert neue Wege in der Entwärmung und der effizienten Ansteuerung, um dem Trend der Leistungsdichtesteigerung auf Modulebene nicht durch eine Verdoppelung der notwendigen Ansteuerelektronikgröße zu zerstören.

Bild 5: Effizienter 25kW SiC –MiniSKiiP Aufbau mit SKYPER 12

Schließlich werden die elektromagnetischen Einflüsse auf die Ansteuerelektronik aufgrund der höheren Spannungs- und Stromsteilheiten und der kompakteren Umrichteraufbauten signifikant höher. Damit bei diesem Trend die sichere Signalverarbeitung und damit die Systemrobustheit nicht auf der Strecke bleibt, müssen neue Wege in der EMV-Optimierung gegangen werden. Die Ansteuerelektronik sollte für eine du/dt Festigkeit von 100 kV/µs und einen störungsfreien Betrieb bei 30 V/m gestrahlter Strahlung ausgelegt werden. Differentielle Schnittstellen werden ab einer gewissen Schaltfrequenz zur Mussforderung.
Die konstruktiv optimierten Signaltransformatoren der SKYPER Familie mit Segmentwicklung und besonderem Isolationsmaterial erreichen eine geringe Koppelkapazität und die Signalübertragung erfolgt durch Rechtecksignale. Durch neuartige Schirmung und optimierter Filter- und Massekonzepte arbeitet die SKYPER Ansteuerelektronik auch sicher in hochintegrierten SiC Umrichtern.

SEMIKRON bietet mit SKYPER 12 und SKYPER 42LJ effiziente SiC-Treiber mit Adapterplatinen für 17mm, 62mm sowie für MiniSKiiP Module. Hier kann durch die Leiterplattenintegration auch eine höchst niederinduktive Zwischenkreisanbindung realisiert werden. Die SKYPER Familie gewährleistet mit einer EMV von 7kV Burst-Festigkeit und der Zuverlässigkeit von 8 Mio. Stunden durch IC Integration einen stabilen Feldeinsatz. Die separate Softoff Ausgangsstufe, das zuverlässige Gate Clamping und die genaue Gatespannungsregelung schalten SiC-MOSFETs sicher in jeder Situation. Schließlich erfüllen die schnelle VDS Erfassung und das einstellbare Filtermanagement auch die Forderungen an Dynamik und bieten eine effiziente SiC Ansteuerung bis 100kHz.

Darüber hinaus bietet SEMIKRON auf allen Stufen der Integration die richtige SiC Lösung. Von effizienten Hybrid SiC Modulen im 17mm Gehäuse bis zu Voll-SiC Lösungen in diversen Gehäusen bis zu höchst-integrierten SiC Stacks. Damit steht einem schnellen und abgesicherten Start in die neue Technologie von SiC nichts mehr im Weg.