Ich bin leidenschaftlicher Mountainbiker und gehe kalkulierte Risiken ein. Wenn ich besser werden will, muss ich mich dazu antreiben, schneller über Hindernisse zu springen, schneller zu fahren und die Kurven enger zu nehmen, während ich gleichzeitig Energie für ein starkes Finish aufsparen muss. Ich bin zwar abenteuerlustig, aber weit davon entfernt, ein Draufgänger zu sein, der wie die erfahrenen Mountainbike-Fahrer in den Red Bull Rampage YouTube-Videos fantastische Canyon-Sprünge (Abbildung 1) versucht und auch erfolgreich landet. In jeder Phase des Rennens ist es mein Ziel, die Lücke zwischen meiner tatsächlichen Leistung und meinem Potenzial zu schließen.

Wie beim Mountainbiking werden auch industrielle Anwendungen durch mehr Effizienz und Leistung immer besser. Eine der Möglichkeiten, diese Lücke zwischen potenzieller und tatsächlicher Leistung zu schließen, ist der Einsatz der Wide Bandgap-Technologie. Die Wide Bandgap-Technologie (WBG) setzt auf Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke und wird ständig weiterentwickelt, so dass heute mehr Angebote verfügbar und erschwinglicher sind als noch vor ein paar Jahren. In diesem Blog erfahren Sie, warum die Siliziumkarbid (SiC)-Produkte von Littelfuse sich ideal für Anwendungen eignen, bei denen Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Zuverlässigkeit und Wärmemanagement gefordert sind.

SiC-MOSFETs von Littelfuse

Alle Sämtliche SiC-MOSFETs von Littelfuse sind für Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen optimiert (Abbildung 2). Diese SiC-MOSFETs bieten eine niedrige Gate-Ladung, eine niedrige Ausgangskapazität und einen niedrigen Gate-Widerstand für das Schalten mit hohen Frequenzen. Die Bauelemente zeichnen sich außerdem durch einen niedrigen Drain-Source-Widerstand im Einschaltzustand aus. Die geringe Gate-Ladung und der niedrige Durchlasswiderstand dieser MOSFETs führen zu geringeren Leitungs- und Schaltverlusten. Littelfuse bietet selbst konzipierte, entwickelte und produzierte SiC-MOSFETs mit niedriger Gate-Ladung und Ausgangskapazität, einer branchenweit führenden Leistung und Robustheit bei allen Temperaturen. Die SiC-MOSFETs von Littelfuse sind in zahlreichen Gehäusen, Konfigurationen sowie Spannungs- und Stromklassen erhältlich. Zu den typischen industriellen Anwendungsbereichen, die von der Verwendung von SiC-MOSFETs profitieren können, zählen Motorantriebe, Photovoltaik-(PV)-Solarwechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV) und modulare Multilevel-Konverter.

Nehmen wir ein konkretes Beispiel genauer unter die Lupe. Es geht um die kostengünstige Entwicklung und Leistungsfähigkeit eines 60-W-Zusatzschaltnetzteils (SMPS). Durch den Einsatz von Bauelementen der 1700V-Klasse, wie z. B. SiC-MOSFETs von Littelfuse, insbesondere die LSIC1MO170E0750 N-Kanal-SiC-MOSFETs (Abbildung 3), kann das Netzteil einen großen Eingangsspannungsbereich von 300 V bis 1 kV verarbeiten.

Überlegungen zum Design einer industriellen Hilfsstromversorgung

Damit die Hilfsversorgung nicht zu einem begrenzenden Faktor für die Systemzuverlässigkeit wird, ist ein einfaches Design mit geringer Komplexität und hoher Zuverlässigkeit erforderlich. Die Single-Switch-Flyback-Topologie ist aufgrund ihrer einfachen Struktur, der geringsten Komponentenanzahl und der niedrigen Kosten die häufigste Wahl für Gleichspannungswandler im unteren Leistungsbereich. Bei der Auswahl von Silizium-MOSFETs für eine Single-Switch-Flyback-Topologie für Hilfsstromversorgungsanwendungen sollten jedoch einige Herausforderungen beachtet werden. In einer Flyback-Topologie muss der Leistungsschalter eine Spannungsfestigkeit aufweisen, bei der die maximale Eingangsspannung, transformatorinduzierte Effekte, reflektierte Sekundärspannung und Schaltungsanordnung/Layout-Effekte berücksichtigt werden.

Bei einer Eingangsspannung von 1000 V kann die Spitzenspannung eines Leistungsschalters leicht über 1200 V betragen. Das macht die Auswahl von Silizium-MOSFETs mit geeigneten Sperrspannungen schwierig. Ein Si-MOSFET mit 1500 V hat nur eine geringe Spannungsmarge und ist problematisch in puncto Zuverlässigkeit. Si-MOSFETs mit einer Spannung von 2000 V und mehr können eine ausreichende Marge bieten. Dennoch ist der spezifische Durchlasswiderstand viel höher als bei MOSFETs mit niedrigerer Spannung. Dies reduziert den Wirkungsgrad des Wandlers und beeinträchtigt das Wärmemanagement. Infolgedessen können selbst bei einer Anwendung mit geringer Leistung umfangreiche Kühlungsmaßnahmen erforderlich sein. Außerdem sind die Kosten für Si-MOSFETs mit einer Nennspannung von >2000 V wesentlich höher. Für den Einsatz von Si-MOSFETs mit einer Nennspannung von 1500 V und weniger sollten Two-Switch-Flyback- oder andere Topologien verwendet werden. Die Komplexität des Designs und die Anzahl der Komponenten des Wandlers erhöhen sich jedoch bei einer Two-Switch-Flyback-Topologie erheblich.

Lösung: 1700 V_DS, 750 mΩ SiC-MOSFET

Die Einführung von 1700-V-SiC-MOSFETs ist eine mögliche Lösung, denn sie verwenden eine einfache Single-Switch-Flyback-Topologie für solche Anwendungen, um einen großen Eingangsspannungsbereich zu erreichen. Die Durchschlagspannung von 1700 V bietet auch bei 1000 V Eingangsspannung eine ausreichende Spannungsmarge. Der spezifische Einschaltwiderstand eines SiC-MOSFETs mit 1700 V ist wesentlich geringer als der eines 2000-V-Bausteins und von Si-MOSFETs mit höheren Nennwerten.

Zudem weisen SiC-MOSFETs im Vergleich zu Si-MOSFETs geringere Schaltverluste auf. Geringere Schaltverluste bieten auch die Möglichkeit, die Schaltfrequenz der Zusatzstromversorgung zu erhöhen und dadurch Größe und Gewicht des Transformators zu reduzieren.

Das verwendete TO-247-Gehäuse bietet außerdem eine große Oberfläche und eine gute Wärmeleitfähigkeit für ein einfacheres Wärmemanagement als kleinere Gehäuse für Niederspannungsgeräte.

WBG für industrielle Stromversorgungslösungen

Mit den Wide Bandgap-SiC-MOSFETs von Littelfuse können Entwickler ihre Stromversorgungs- und Effizienzlösungen in einem größeren Bereich realisieren. Dabei ist eines sicher: Es ist wesentlich einfacher, die Lücke zwischen potenzieller und tatsächlicher Leistung zu schließen, als mit dem Fahrrad über den nächsten Abgrund zu springen.