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Einschaltwiderstand von minimal 7 mΩ: Neue SiC-FETs für die E-Mobilität

| Redakteur: Richard Oed

Speziell für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen bringt UnitedSiC vier neue Siliziumkarbid-FETs auf den Markt. Mit ihren niedrigen Einschaltwiderständen von minimal 7 mΩ weisen sie geringe Schaltverluste und eine hohe Effizienz auf.

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Die vier von UnitedSiC neu vorgestellten FETs auf Siliziumkarbid-Basis eignen sich aufgrund ihres geringen Einschaltwiderstandes und ihrer hohen Schaltfrequenz speziell für Anwendungen in der Elektromobilität, wie beispielsweise Motor-Wechselrichter oder Hochleistungs-Ladegeräte.
Die vier von UnitedSiC neu vorgestellten FETs auf Siliziumkarbid-Basis eignen sich aufgrund ihres geringen Einschaltwiderstandes und ihrer hohen Schaltfrequenz speziell für Anwendungen in der Elektromobilität, wie beispielsweise Motor-Wechselrichter oder Hochleistungs-Ladegeräte.
(Bild: UnitedSiC)

Die neue Familie von Siliziumkarbid-(SiC-)Leistungshalbleitern des amerikanischen Herstellers UnitedSiC zeichnet sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand (RDS(on)) und eine hohe Schaltfrequenz aus. Daher sind diese Bauelemente speziell für den Einsatz in Wechselrichtern in Elektrofahrzeugen, in Hochstrom-Batterieladegeräten, Halbleiter-Leistungsschaltern oder DC/DC-Wandlern geeignet. Dabei besitzt der UF3SC065007K4S eine maximale Betriebsspannung VDS(MAX) von 650 V, einen Drain-Strom von bis zu 120 A und bei 25 °C einen RDS(on) von 6,7 mΩ. Der UF3SC120009K4S, das zweite Mitglied der Familie, verfügt bei einer VDS(MAX) von 1200 V ebenfalls über einen Drain-Strom von bis zu 120 A. Hier liegt der RDS(on) bei 8,6 mΩ bei 25 °C. Beide sind in einem vierpoligen TO247-Kelvin-Gehäuse erhältlich, das eine sauberere Ansteuerkennlinie gewährleistet.

Für Applikationen mit geringerem Energieverbrauch bietet UnitedSiC zwei weitere Bauelemente mit maximalen Betriebsspannungen von 1200 V, Drain-Strömen von bis zu 77 A und einem RDS(on) bei 25 °C von 16 mΩ an. Der UF3SC120016K3S wird in einem TO247-Gehäuse mit drei Anschlüssen geliefert, während der UF3SC120016K4S vier Anschlüsse aufweist.

Architekturseitig vereinen die neuen SiC-FETs dabei einen leistungsstarken SiC-JFET und einen mittels Kaskodenschaltung optimierten Silizium-MOSFET. Durch diese Schaltungskonfiguration können Entwickler die Bauelemente mit den gleichen Gate-Spannungen wie Silizium-IGBTs, Silizium-MOSFETs oder Siliziumkarbid-MOSFETs betreiben. Darüber hinaus ermöglicht das Silber-Sintern zur Optimierung des Hochtemperaturbetriebs eine Montage des TO247-Gehäuses mit geringem Wärmewiderstand. Die maximale Betriebstemperatur liegt bei allen vier FETs bei 175 °C.

"Von wirklich wesentlicher Bedeutung ist hier, dass wir bei jedem Baustein dieser Klasse den niedrigsten RDS(on) der Branche erreicht haben", erklärt Anup Bhalla, Vice President of Engineering von UnitedSiC. "Darüber hinaus können diese SiC-FETs aufgrund der standardmäßigen Ansteuerung und des vielseitigen Gehäuses mit nur geringem oder ganz ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand in einer Vielzahl von Anwendungen als Ersatz für weniger effiziente Teile eingesetzt werden."

Niedriger RDS(ON) verspricht hohe Effizienz bei Wechselrichtern

Der geringe Einschaltwiderstand dieser Bauelemente ermöglicht es, bei Wechselrichterentwicklungen Wirkungsgrade von mehr als 99% zu erreichen. Dazu trage die gute Sperrerhol-Performance ebenso bei, wie der niedrige Leitungsverlust im Leerlauf, so UnitedSiC.

Infolge der geringen Schaltverluste können Entwickler ihren Wechselrichter mit Frequenzen von über 20 kHz betreiben, um einen saubereren Ausgangsstrom zu erzeugen. Dies reduziert die Kernverluste der angesteuerten Motoren und verbessert dadurch deren Wirkungsgrad. Ist der Wechselrichter mit einem gefilterten Ausgang ausgelegt, ermöglicht der Betrieb mit höheren Frequenzen zudem kleinere Filter.

Laut Herstellerangaben können die Bauelemente zur Bewältigung hoher Ströme auch parallelgeschaltet werden. Berechnungen zeigten, dass die kombinierten Schalt- und Leitungsverluste eines 200-kW-, 8-kHz-Wechselrichters, der mit sechs parallelgeschalteten UF3SC120009K4S SiC-FETs aufgebaut wurde, mit 1088 W nur etwas mehr ein Drittel eines ähnlichen, mit IGBT-/Dioden-Modulen aufgebauten Wechselrichters betrag. Dieser weise eine Gesamtverlustleistung von 3024 W auf. Die Effizienz des aus parallelgeschalteten SiC-FETs aufgebauten Wechselrichters wird dabei mit 99,46% angegeben.

Die niedrigen RDS(on)-Werte der SiC-FETs der UF3SC-Serie ermöglichen zudem einen Einsatz der Bauelemente als Halbleiter-Leistungsschalter oder als Batterietrennschalter in Elektrofahrzeugen. Sie können laut UnitedSiC sehr hohe Ströme sehr schnell abschalten und verfügen bei Verwendung als Leistungsschalter über eine selbstbegrenzende Kennlinie, die den fließenden Spitzenstrom steuert. Diese Eigenschaft kann auch zur Begrenzung von Einschaltströmen in Wechselrichtern und Motoren angewandt werden.

Für Hochleistungs-Ladegeräte geeignet

Ebenfalls geeignet sind die SiC-FETs der UF3SC-Serie für effiziente Hochleistungs-Batterieladegeräte. In Systemen mit niedrigerer Batteriespannung bietet der UF3SC65007K4S einen höheren Wirkungsgrad in den Ladekreisen als IGBT-basierte Geräte. Ersetzen SiC-FETs die sekundärseitigen Dioden, senkt dies die Verluste gleichermaßen und reduziert die Kühllast für das Ladegerät. So verursacht beispielsweise eine JBS-Diode bei einem Betriebsstrom von 100 A (Spannungsabfall von 2 V bei 125 °C) und einem Tastverhältnis von 50% Leitungsverluste von fast 100 W. Dagegen betragen diese bei Verwendung des UF3SC065007K4S als Synchron-Gleichrichter nur 45 W (0,9 V Spannungsabfall bei 125 °C).

Erste Muster dieser Bauelemente stehen bereits zur Verfügung, Produktionsmengen dann im 2. Quartal 2020. Die Preise reichen bei Stückzahlen von mehr als 1000 Stück von 35,77 US-$ für den UF3SC0120016K3S bis zu 59,98 US-$ für den UF3SC120009K4S.

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