SiC MOSFET vs. Si IGBT: Vorteile von SiC MOSFET

Von Omara Aziz

MOSFET vs. IGBT: Die Zukunft der Motorsteuerung

Elektromechanische Geräte — Schalter, Solenoiden, Encoder, Generatoren und Elektromotoren — sind die grundlegende Brücke von der digitalen zur physischen Welt. Das Besondere an all diesen Geräten ist ihre Fähigkeit, elektrische Signale in mechanische Aktionen umzuwandeln.
 
Mit dem Fortschritt von Branchen wie automatisierte Fertigung, Elektrofahrzeuge, fortschrittliche Gebäudeautomationssysteme und intelligente Haushaltsgeräte wächst auch die Nachfrage nach erhöhter Kontrolle, Effizienz und Leistungsfähigkeit dieser elektromechanischen Geräte. Dieser Artikel untersucht, wie Durchbrüche bei Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC MOSFET) die Fähigkeiten von Elektromotoren neu definieren, die historisch Silizium-IGBTs (Si IGBT) für die Leistungskonvertierung genutzt haben. Diese Innovation erweitert die Möglichkeiten von Antriebsanwendungen in nahezu jeder Branche.

Was sind Si-IGBTs und SiC-MOSFETs?

Si-IGBT ist die Abkürzung für Silizium-Isoliergate-Bipolartransistoren. SiC-MOSFET ist die Abkürzung für Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor.
 
Si-IGBTs sind stromgesteuerte Geräte, die durch einen an das Gate-Terminal des Transistors angelegten Strom geschaltet werden, während MOSFETs durch eine an das Gate-Terminal angelegte Spannung spannungsgesteuert sind.
 
Der Hauptunterschied zwischen Si-IGBTs und SiC-MOSFETs liegt in der Art des Stroms, den sie verarbeiten können. Allgemein gesagt sind MOSFETs für Hochfrequenz-Schaltanwendungen geeignet, während IGBTs besser für Hochleistungsanwendungen geeignet sind.

Warum Silizium-IGBTs und Siliziumkarbid-MOSFETs in Motoranwendungen unverzichtbar sind

Elektromotoren sind in der modernen Technologie allgegenwärtig und verlassen sich oft auf Batteriesysteme als Energiequelle. Beispielsweise nutzen Elektrofahrzeuge massive Batteriearrays, die dem Fahrzeug Gleichstrom (DC) liefern, wodurch physische Bewegung über AC-Elektromotoren entsteht. Die absolute Kontrolle dieser AC-Motoren ist entscheidend für die Leistung und Effizienz des Fahrzeugs sowie für die Sicherheit der Insassen. Dieses Antriebssystem ist jedoch auf Wechselrichter angewiesen, um den Gleichstrom der Batterie in ein Wechselstromsignal (AC) umzuwandeln, das die Motoren zur Bewegungserzeugung nutzen können.
 
Diese Wechselrichter steuern präzise die Geschwindigkeit, das Drehmoment, die Leistung und die Effizienz des Motors und ermöglichen regeneratives Bremsen. Letztendlich ist der Wechselrichter ebenso wertvoll für das Antriebssystem wie der Motor selbst. Wie bei allen Geräten in Stromanwendungen können Wechselrichter in ihren Fähigkeiten und Designanforderungen stark variieren und sind entscheidend für die Gesamtleistung des Systems von Gleichstrom zu AC-Motoren.
 
In modernen Anwendungen zur Ansteuerung von DC- zu AC-Motoren werden zwei Arten von Wechselrichtern verwendet: Silizium-IGBTs und Siliziumcarbid-MOSFETs. Historisch gesehen sind Silizium-IGBTs die gängigste Wahl, aber SiC-MOSFETs haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Leistungsverbesserungen und der kontinuierlich sinkenden Kosten an Popularität gewonnen. Als SiC-MOSFETs erstmals auf den Markt kamen, waren sie für die meisten Motoranwendungen weitgehend unerschwinglich. Mit zunehmender Akzeptanz dieser überlegenen Technologie hat die skalierte Produktion jedoch die Kosten für SiC-MOSFETs erheblich reduziert.

Vorteile und Nachteile von Si-IGBTs gegenüber SiC-MOSFETs

Si-IGBTs werden in DC-zu-AC-Motoranwendungen historisch aufgrund ihrer hohen Strombelastbarkeit, schnellen Schaltgeschwindigkeit und niedrigen Kosten verwendet. Am wichtigsten ist, dass Si-IGBTs eine hohe Spannungsfestigkeit mit einem niedrigen Spannungsabfall, Leitungsverlusten und thermischer Impedanz aufweisen, was sie in Hochleistungs-Motoranwendungen wie Fertigungssystemen zu einer offensichtlichen Wahl macht. Ein erheblicher Nachteil von Si-IGBTs ist jedoch, dass sie sehr anfällig für thermisches Durchgehen sind. Thermisches Durchgehen tritt auf, wenn die Gerätetemperatur unkontrollierbar ansteigt, was zum Fehlverhalten und schließlich zum Ausfall des Geräts führt. In Motoranwendungen, in denen hohe Ströme, Spannungen und Betriebsbedingungen üblich sind, wie in Elektrofahrzeugen oder der Fertigung, kann thermisches Durchgehen ein erhebliches Konstruktionsrisiko darstellen.
 
Als Lösung für diese Konstruktionsherausforderung sind SiC-MOSFETs widerstandsfähiger gegen thermisches Durchgehen. Siliziumkarbid ist leitfähiger in Bezug auf Wärme, was eine bessere Wärmeableitung auf Geräteebene und stabile Betriebstemperaturen ermöglicht. SiC-MOSFETs sind besser geeignet für wärmere Umgebungsbedingungen wie in der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen. Zusätzlich können SiC-MOSFETs durch ihre Wärmeleitfähigkeit die Notwendigkeit zusätzlicher Kühlsysteme eliminieren, was möglicherweise die Gesamtsystemgröße und die Systemkosten reduzieren kann.
 
Da SiC-MOSFETs mit viel höheren Schaltfrequenzen als Si-IGBTs arbeiten, sind sie ideal für Anwendungen, bei denen eine präzise Motorsteuerung entscheidend ist. Hohe Schaltfrequenzen sind in der automatisierten Fertigung von entscheidender Bedeutung, wo hochpräzise Servomotoren für die Steuerung von Werkzeugarmen, präzises Schweißen und genaue Objektplatzierung verwendet werden.
 
Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil von SiC-MOSFET über Si-IGBT-Motortreibersystemen ist ihre Fähigkeit, in Motorbaugruppen eingebettet zu werden, wobei ein Motorcontroller und Wechselrichter innerhalb des gleichen Gehäuses wie der Motor eingebaut sind.
 
Durch das Verlegen der Motortreiberbaugruppe an den lokalen Standort des Motors kann die Verkabelung zwischen den Antriebswechselrichtern und dem Motortreiber erheblich reduziert werden, was erhebliche Einsparungen ermöglicht. Im Beispiel aus Bild B könnte ein traditioneller Si-IGBT-Leistungsschrank 21 einzigartige Kabel erfordern, um die sieben Motoren (gekennzeichnet mit 'M') des Roboterarms zu versorgen, was Hunderte von Metern teurer und komplexer Verkabelungsinfrastruktur bedeuten könnte. Mit einem SiC-MOSFET-Motorantriebssystem kann die Anzahl der Kabel auf zwei lange Kabel reduziert werden, die mit jedem der Motortreiber innerhalb der lokalen Motorbaugruppe verbunden sind.

Nachteile von SiC-MOSFETs gegenüber Si-IGBT

Allerdings gibt es Nachteile von SiC MOSFETs im Vergleich zu Si IGBTs. Erstens sind SiC MOSFETs immer noch teurer als Si IGBTs, was sie möglicherweise weniger geeignet für preissensitive Anwendungen macht. Obwohl die SiC MOSFETs selbst teurer sind, können einige Anwendungen eine Kostenreduzierung im gesamten Motortreibersystem erfahren (durch Reduzierung von Verkabelung, passiven Komponenten, Thermomanagement usw.) und insgesamt günstiger sein im Vergleich zu einem Si IGBT-System. Diese Kosteneinsparung kann jedoch eine eingehende Design- und Kostenstudienanalyse zwischen den beiden Anwendungssystemen erfordern, könnte aber zu erhöhter Effizienz und Kostenersparnis führen.
 
Ein weiterer Nachteil von SiC MOSFETs ist, dass sie komplexere Gate-Drive-Anforderungen aufweisen können, wodurch sie in Anwendungen, in denen andere Komponenten des Systems die Gate-Drive-Ressourcen einschränken könnten, weniger ideal als IGBTs sind.

Verbesserte Wechselrichtertechnologie mit Siliziumkarbid-MOSFETs

Siliziumkarbid-MOSFETs haben die Wechselrichtertechnologie für Motorantriebssysteme drastisch verbessert. Wie bei allen Arten von Komponenten gibt es bestimmte Anwendungen, bei denen IGBTs möglicherweise immer noch besser geeignet sind. Allerdings bieten SiC-MOSFET-Wechselrichter mehrere deutliche Vorteile gegenüber Si-IGBTs, was sie zu sehr attraktiven Lösungen für Motoranwendungen und eine Vielzahl anderer Anwendungen macht.
 
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