Siliziumkarbid-Leistungsmodule maximieren die Effizienz des aktiven Frontends

Während Ingenieure, die USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) entwerfen, große Sorgfalt darauf verwenden, um einen reibungslosen Betrieb von Unternehmensrechenzentren rund um die Uhr sicherzustellen, sind sie sich auch bewusst, dass Stromversorgungen jedes Jahr 90 TWh (Terawattstunden) US-amerikanischen Strom verbrauchen — genug, um 30 große und umweltschädliche Kohlekraftwerke zu betreiben. Und in einem anderen Bereich der Konstruktion arbeiten Energieingenieure daran sicherzustellen, dass Schnellladestationen Elektrofahrzeuge (EVs) zügig aufladen können, mit einem zusätzlichen Bewusstsein für die Stromkosten und die Umweltbelastung durch dessen Erzeugung.

Ingenieure, die sich auf beliebige Anwendungsbereiche konzentrieren, teilen ihre Bedenken hinsichtlich Effizienz, Leistungsdichte und Kosten. Und selbst wenn sie noch nicht damit gearbeitet haben, wissen sie, dass die Lösung möglicherweise in der Siliziumkarbid-(SiC)-Technologie liegt. In diesem Papier der Experten von Wolfspeed werden diese Bedenken mit einem direkten Vergleich angesprochen, um zu zeigen, dass Siliziumkarbid-(SiC)-Technologie bei Hochleistungsanwendungen die deutlich bessere Wahl gegenüber Silizium-(Si)-basierten Geräten ist. Die Demonstration verwendet einen essenziellen Bestandteil von USV- und Ladersystemen, die aktive Frontend-Stufe (AFE), um Verbesserungen in Bezug auf Größe und Leistungsdichte, Leistungsverluste und Effizienz sowie Materialkosten (BOM) zu untersuchen. Das Papier zielt somit darauf ab, das allgemeine Bewusstsein für die Vorteile von SiC in ein klareres Verständnis zu verwandeln und einen Weg durch eine veraltete, weniger effiziente Technologie hin zu größerer Design-Erfahrung basierend auf SiC zu ebnen.

Die breite Herausforderung

Die Herausforderung bei der AFE-Entwicklung kann im Großen und Ganzen als eine Wunschliste von Änderungen ausgedrückt werden, die ein Ingenieur sich wünschen würde:

Jede Technologie, die all diese Herausforderungen gleichzeitig löst, kann tatsächlich einen erheblichen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit des Produkts sowie auf die Umwelt haben.

Warum Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid ermöglicht Ingenieuren, die oben genannten Punkte auf der Liste durch die Material- und daraus resultierenden Geräte-Eigenschaften abzuhaken.   Im Vergleich zur traditionellen Si-Technologie bieten SiC-Bauelemente einen 2-3-mal geringeren Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand als Si, wodurch die Leitungsverluste in SiC-Schaltern reduziert werden. Da SiC-Bauelemente Mehrheitsladungsträger sind, ermöglichen sie weitaus höhere Schaltgeschwindigkeiten (di/dt) als mit Si möglich ist. Ihr 10-mal höheres Durchbruchfeld im Vergleich zu Si erlaubt es SiC-Bauelementen, höhere Spannungen im selben Gehäuse auszuhalten.   Eine höhere Wärmeleitfähigkeit von 3,3-4,5 W/cmK im Vergleich zu Si mit 1,5 W/cmK ermöglicht es SiC-Bauelementen, Wärme deutlich schneller abzuleiten, was dazu beiträgt, die Kühlanforderungen im System zu reduzieren. Darüber hinaus können SiC-Chiptemperaturen 250-300°C (im Vergleich zu 125°C bei Si) erreichen, und die Sperrschichttemperaturen in Wolfspeed-Bauteilen können auf bis zu 175°C steigen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Das bedeutet, dass die Bauteile heißer laufen können und mit einem kleineren Kühlsystem auskommen.   Wolfspeeds SiC-Leistungsmodule bieten die folgenden Vorteile gegenüber Si-Versionen:

Anwendungsvorteile der AFE-Topologie

Der AFE ist auf fast alle netzgekoppelten Umrichter anwendbar. Zwei prominente Topologien in den heutigen aufstrebenden Märkten sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Doppelwandler-UPS-Architektur umfasst einen AFE oder Gleichrichter, einen DC/DC-Wandler und einen Wechselrichter. Im normalen Leistungsfluss fließt ein kleiner Strom in den DC/DC-Wandler, der die Batterie lädt. Der Großteil der Leistung wird über die Gleichstromverbindung in den Wechselrichter geleitet, wo er die Last versorgt. Bei einem Stromausfall stoppt der AFE das Schalten, und der DC/DC-Wandler liefert Leistung von der Batterie in den Wechselrichter, um die Last zu versorgen. Einige Anwendungen können die Batterie auch verwenden, um schlechte Last- oder Netzspannungsqualität zu kompensieren.

Auch im externen DC-Schnelllader verbindet der AFE den Konverter mit dem Stromnetz. Er richtet die Netzspannung in eine stabile Gleichspannungs-Zwischenschaltung um, die dann genutzt werden kann, um die Batterien zu laden. Die Topologie des externen Ladegeräts ist einfacher, da der AFE direkt mit dem DC-DC-Wandler verbunden ist, um das Elektrofahrzeug schnell zu laden. In beiden Anwendungen verwendet der AFE drei Halbbrücken-Leistungsmodule – eines für jede Phase.

Definition des Problems & Gestaltungsziele

Ein zentrales Problem bei IGBT-basierten AFEs ist, dass sie groß und ineffizient sind. Sie weisen hohe Schaltverluste auf und sind gleichzeitig bedeutende Wärmequellen. Ingenieure haben die Wahl, entweder große Kühlsysteme einzusetzen oder Leistungseinbußen in Kauf zu nehmen, um die erzeugte Wärme zu reduzieren. Aber obwohl die Anforderungen leicht variieren, möchten alle Kunden für ein hocheffizientes System zahlen, nicht für eine Heizquelle.   Die Designziele für AFEs können daher wie folgt definiert werden:

Vor diesem Hintergrund wurden IGBT- und SiC-Varianten eines AFE-Systems entwickelt, um 200 kW hochwertig gleichgerichtete Leistung mit einem gut geregelten DC-Bus bereitzustellen.

IGBT- vs. SiC-basierte Designs

Die auf IGBT- und SiC-basierten Systeme werden umfassend vorgestellt, bevor eine vertiefte Betrachtung in Form eines Vergleichs der Komponenten-Größen und Verluste Seite an Seite erfolgt.   Si-basierte Hochleistungsdesigns, wie das AFE-Beispiel, verwenden typischerweise IGBTs. In Abbildung 2 ist das Schaltbild mit dem Leistungsmodule und den physischen Kühlanforderungen dargestellt. Um eine erstklassige Komponente zu nutzen, wurde ein Modul aus den dominierenden IGBT-Modulen ausgewählt, die heute im EconoDUAL®-Gehäuse erhältlich sind. Die Topologie erfordert drei solcher Leistungsmodule – jede rote Box, die in der Abbildung gezeigt wird, umfasst ein einzelnes Leistungsmodule, einen Kühlkörper und zwei Lüfter.

Das System könnte so optimiert werden, dass es mit einer Frequenz von bis zu 8 kHz schaltet, wobei ein 100 µH-Induktor benötigt wird. Bei einer Umgebungstemperatur von 40°C erreicht die IGBT-Verbindungstemperatur (Tj) 130°C, und die Verbindungstemperatur des separaten Diodenchips erreicht 140°C. Dies erforderte einen großen Kühlkörper und zwei Lüfter pro Modul, selbst nachdem die Schaltfrequenz auf 8 kHz begrenzt wurde.

Das auf SiC basierende System verwendete ein Wolfspeed XM3-Leistungsmodul, das XAB400M12XM3. Das System kann mit einer deutlich höheren Frequenz von 25 kHz schalten und nutzt eine 30-µH-Induktivität. Bei derselben Umgebungstemperatur von 40 °C erreicht die MOSFET-Übergangstemperatur 164 °C. Wiederum umfasst jede rote Box in Abbildung 3 das Modul und dessen deutlich geringere Kühlanforderungen.

Leistungsmodule im Vergleich

Die XM3-Leistungsmodulplattform von Wolfspeed beansprucht 60 % weniger Volumen und 55 % weniger Fläche als ein äquivalent bewertetes 62-mm-Modul. Im Vergleich zu einem ähnlich bewerteten EconoDUAL®-IGBT-Modul ist die Reduktion von Größe, Volumen sowie Gewicht deutlich größer.

Die Hauptmerkmale der XM3-Plattform umfassen:

Im betrachteten AFE vergleicht Tabelle 1 die Leistungsverluste des IGBT-Leistungsmoduls mit denen des CAB400M12XM3.

Tabelle 1: Der Verlustvergleich zeigt eine Verlustreduktion pro Modul durch SiC um 40 % im Vergleich zu IGBT.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, hilft die Verwendung der Wolfspeed SiC-Technologie, die erste umfassende Designherausforderung zu überwinden, indem die gesamten Schalt- und Leitungsverluste reduziert werden, was es ermöglicht, die verbleibenden umfassenden Herausforderungen anzugehen. Beachten Sie, dass die im Wolfspeed SiC MOSFET integrierte Body-Diode eine Sperrladung (Qrr) aufweist, die weniger als 1 % derjenigen von Si beträgt. Um dieses Problem etwas zu mildern, enthalten IGBT-Module eine separate Diode, die zusätzlich und separat zu Verlusten beiträgt.

Kleineres, leichteres Kühlsystem

Die hohe MOSFET-Übergangstemperatur, die durch Wolfspeeds SiC-Technologie ermöglicht wird, und die niedrigen Verluste des XM3 wirken sich unmittelbar auf die Anforderungen an die Kühlung aus.   Mit einem Verlust von 1,11 kW pro Modul muss jedes EconoDUAL® auf einen großen Kühlkörper montiert werden, der jeweils mit einem Druck- und einem Saugventilator ausgestattet ist, um einen ausreichenden Luftstrom für die Kühlleistung zu gewährleisten. Das Volumen des Kühlsystems beträgt 6,4 L/Modul.   Aufgrund der 40% niedrigeren Verluste benötigt der XM3 einen kleineren Kühlkörper und nur einen Ventilator, um bei gleicher Leistung (@40°C) das gleiche Ergebnis zu erzielen. Das Volumen des Kühlsystems beträgt lediglich 3,7 L.   Diese 42%ige Reduzierung des Kühlvolumens bringt einen weiteren Vorteil mit sich — eine 70%ige Reduzierung der Kosten für die thermische Lösung des AFE-Systems.

Die Auswirkungen auf Passiva

Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz um den Faktor drei, von 8 kHz auf 25 kHz, benötigt das auf SiC basierende AFE kleinere passive Komponenten (Abbildung 6).

Wie bereits erwähnt, kann die erforderliche Induktivität auch um den Faktor drei reduziert werden, von den 100 µH des IGBT-Designs auf 30 µH. Die daraus resultierende Verringerung der physischen Größe beträgt etwa 37 %. Darüber hinaus werden die I2R-Verluste in der Drossel ebenfalls um fast 20 % reduziert.   Für die von dem AFE-Beispiel benötigten Leistungsstufen sind die Kosten für die magnetischen Bauteile, einschließlich des Kerns und der Kupferwicklungen, im XM3-Design um 75 % niedriger als bei dem IGBT-basierten AFE.   Der Effekt auf die erforderliche DC-Link-Kapazität ist ähnlich, bedingt durch die erhöhte Schaltfrequenz. Während bei der IGBT-Variante 1800 µF benötigt werden, erfordert das auf SiC-MOSFETs basierende Design nur eine Kapazität von 550 µF. Der direkte Vergleich in Abbildung 6 zeigt die Reduzierung des Volumens der benötigten Kapazität um 54 %.

Vergleich auf Systemebene des AFE

Auf Systemebene führt die dreifache Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit, die durch SiC ermöglicht wird, zu einer dreifachen Verbesserung der Regelbandbreite, was wiederum eine schnellere Reaktionszeit auf dynamische Bedingungen bedeutet. Die Entlastung der Anforderungen an passive Bauelemente, einschließlich des Kühlsystems, führt zu einer Reduzierung der Stücklistenkosten (BOM) für diese Komponenten um 37 %.   Das auf SiC basierende AFE weist zudem 40 % geringere Verluste auf als das auf IGBT basierende System. Für ein System, das kontinuierlich — 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche — betrieben wird, ergibt sich daraus eine jährliche Energieeinsparung von 26 MWh. Über die umweltfreundlichen Vorteile hinaus kann SiC bei einem Strompreis von 0,10 $/kWh die jährlichen Betriebskosten um 2.591 $ senken.   Abgesehen von Leistung, passiven Stücklistenkosten und Betriebskosten ist das auf SiC basierende System deutlich kleiner in Größe und Gewicht. Es reduziert das Systemvolumen um 42 % im Vergleich zur IGBT-Version (Abbildung 7).

Fazit

Ein Vergleich nebeneinander der erstklassigen IGBT EconoDUAL®- und Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET-Leistungsmodule in ähnlich bewerteten AFE-Systemen zeigt, dass die SiC-Technologie die oben genannten Wünsche der Entwickler Wirklichkeit werden lässt. Wolfspeeds XM3-Plattform trägt dazu bei, die Effizienz im gesamten System erheblich zu steigern, die Gesamtreaktion und Leistung des Systems zu verbessern, das gesamte Volumen des Systems zu reduzieren, um eine deutlich höhere Leistungsdichte zu erzielen, und die Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen, indem die Gesamtkosten für passive Stücklisten erheblich gesenkt werden.