4 Unterschiede zwischen Siliziumkarbid- und Silizium-MOSFETs in der Simulation

Wichtigste Erkenntnisse

• Siliziumkarbid zeigt seinen größten Simulationsvorteil, wenn Hochspannungs- und Schaltverluste in der Verlustkurve des Umrichters dominieren.
• Beim Vergleich von Bauelementen sind die passende Gate-Ansteuerung, parasitäre Effekte, thermische Grenzwerte und das Timing wichtiger als die in den Schlagzeilen genannten Materialangaben.
• Der Arbeitszyklus des Wandlers ist ausschlaggebend für die Unterschiede zwischen den Hauptmodellen und damit für die endgültige Geräteauswahl, da er bestimmt, wie oft die einzelnen Verlustmechanismen auftreten.

Eine genaue Simulation zeigt Ihnen, wann ein Siliziumkarbid-MOSFET seine Berechtigung hat und wann ein Silizium-Leistungs-MOSFET die bessere Wahl bleibt.

Bauelemente mit großer Bandlücke können in manchen Anwendungen die Verluste bei der Leistungsumwandlung um bis zu 90 % reduzieren, was erklärt, warum der Siliziumkarbid-MOSFET so viel Aufmerksamkeit auf sich zieht. Dieser auf den ersten Blick beeindruckende Gewinn birgt jedoch auch eine Tücke. Ein vereinfachtes Modell wird den Nutzen überbewerten, insbesondere wenn Gate-Widerstand, nichtlineare Kapazität und Erwärmung des Übergangsbereichs außerhalb der Untersuchung liegen. Es müssen vergleichbare Bedingungen vorliegen, bevor ein Ergebnis zum Vergleich zwischen Siliziumkarbid- und Silizium-MOSFET als verlässlich angesehen werden kann.

Siliziumkarbid eignet sich für Hochfrequenzwandler mit engen Verlustgrenzwerten

Ein Siliziumkarbid-MOSFET eignet sich für Wandler, bei denen Schaltverluste, Busspannung und magnetische Abmessungen die Grenzen vorgeben. Er zeigt seine beste Leistung in hartgeschalteten oder hochfrequenten Stufen oberhalb von einigen hundert Volt, wo Siliziumbauelemente während der Überlappung von Spannung und Strom sowie beim wiederholten Aufladen der Kapazitäten mehr Energie verbrauchen.

Eine 800-V-Leistungsfaktorkorrekturstufe, die mit 100 kHz betrieben wird, verdeutlicht dieses Muster. Das kritische elektrische Feld von Siliziumkarbid ist etwa zehnmal höher als das von Silizium, was dünnere Hochspannungsbereiche und einen geringeren Widerstand in derselben Spannungsklasse ermöglicht. Dieser Materialvorteil führt jedoch nur dann zu geringeren simulierten Verlusten, wenn die Gate-Schleife und die Businduktivität den tatsächlich gebauten Wandler widerspiegeln.

Die Frequenz allein reicht nicht aus, um die Entscheidung zu treffen. Ein 650-V-Wechselrichter mit Soft-Switching kann weniger Gewinnpotenzial bieten als eine 400-V-Boost-Stufe mit Hard-Switching. Die entscheidende Frage ist einfach: Dominiert die Schaltleistung Ihre Verlustkurve? Wenn ja, macht sich der zusätzliche Aufwand für die Modellierung bei einem SiC-MOSFET in der Regel bezahlt.

Die Angleichung der Testbedingungen hat Vorrang vor jedem Gerätevergleich

Jeder Vergleich zwischen Siliziumkarbid- und Silizium-MOSFETs führt zu falschen Schlussfolgerungen, sofern Spannung, Strom, Gate-Ansteuerung, thermische Randbedingungen und parasitäre Effekte nicht aufeinander abgestimmt sind. Vergleiche zwischen Bauelementen scheitern meist daran, dass bei einem Modell Standardwerte verwendet werden, während das andere die Bedingungen im Labor widerspiegelt.

„Die Übereinstimmung der Eingaben ist wichtiger als die Wahl eines detaillierten Symbols.“

Legen Sie diese fünf Punkte fest, bevor Sie Teile vergleichen, sonst hat Ihre Verlustanalyse kaum Aussagekraft.

• Verwenden Sie für beide Geräte dieselbe Bus-Spannungs- und Stromwellenform.
• Stellen Sie die Gate-Treiber-Spannung und den externen Gate-Widerstand auf identische Werte ein.
• Die Schleifeninduktivität und der Streuwiderstand sollten konstant gehalten werden.
• Es gelten dieselben Annahmen bezüglich des Kühlkörpers und der Umgebungstemperatur.
• Passen Sie die Totzeit an das Simulationszeitfenster an.

SPS Software dieser Vergleich aussagekräftig bleibt, da Sie die elektrischen und thermischen Annahmen überprüfen können, anstatt sie in einem festen Geräteblock zu verbergen. Das ist entscheidend, wenn ein Gate-Widerstand von wenigen Ohm oder eine Schleifeninduktivität von wenigen Nanohenry über das Ergebnis entscheiden.

Das Gate-Verhalten bestimmt die meisten simulierten Schaltverluste

Das Gate-Verhalten bestimmt, wie schnell der Strom ansteigt, wie lange die Spannung beim Ein- und Ausschalten hoch bleibt und wie stark das Nachschwingen ausfällt. Ein Siliziumkarbid-MOSFET liefert in der Simulation oft beeindruckende Ergebnisse, bis realistische Gate-Widerstände, Miller-Plateau-Effekte und die Source-Induktivität den Übergang verlangsamen.

Eine 650-V-Halbbrücke verdeutlicht dies. Wenn man das SiC-Bauelement mit einem niedrigen Gate-Widerstand und einem idealen Treiber auslegt, sinkt die Schaltleistung drastisch. Berücksichtigt man jedoch die Common-Source-Induktivität, den endlichen Treiberstrom sowie die separaten Einschalt- und Ausschaltwiderstände, schrumpft dieser Vorteil auf das Maß, das man tatsächlich auf einer Leiterplatte beobachten wird.

Das Problem ist nicht, dass Siliziumkarbid eine unzureichende Leistung erbringt. Das Problem ist, dass Gate-Modelle oft zu optimistisch sind. Schnelle Flanken erhöhen dv/dt, was den Strom durch die Miller-Kapazität treibt und den gegenüberliegenden Schalter stören kann. Wenn Sie einen Leistungs-MOSFET für die Auswahl eines Wandlers modellieren, ist die Gate-Schleife einer der ersten Bereiche, auf die Sie sich konzentrieren sollten.

Die Ausgangskapazität verlagert die Spannungsbelastung bei schnellen Flanken

Die Ausgangskapazität beeinflusst die Schaltleistung, das Überschwingen und die Menge an gespeicherter Energie, die bei jedem Übergang übertragen werden muss. Ein Siliziumkarbid-MOSFET weist bei hoher Spannung in der Regel eine geringere Kapazität auf, entscheidend ist jedoch seine starke Nichtlinearität. Ein fester Kondensatorwert kann dieses Verhalten nicht ausreichend abbilden.

Ein Boost-Zweig bei 600 V macht das Problem deutlich. Verwendet man einen konstanten Coss-Wert aus einer Kleinsignaltabelle, verläuft die simulierte Drain-Spannung zu gleichmäßig. Verwendet man hingegen ein energiebasiertes oder spannungsabhängiges Kapazitätsmodell, lassen sich steilere Steigungsänderungen, eine andere Belastung des Snubbers und eine realistischere Ausschaltwellenform beobachten.

Dieses Detail ist von Bedeutung, da sich der Kapazitätsverlust bei jedem Zyklus wiederholt. Außerdem verstärkt er das Schwingverhalten durch Streuinduktivität, was sich auf die Spannungsreserve und elektromagnetische Störungen auswirkt. Wenn Ihr Wandler Klemmschaltungen verwendet oder auf Nullspannungsschaltung setzt, hat die Modellierung der Ausgangskapazität einen größeren Einfluss auf das Ergebnis als eine geringfügige Änderung des Widerstands im eingeschalteten Zustand.

Die Rückstrom-Rückgewinnung beeinflusst den Kommutierungsverlust in hartgeschalteten Zweigen

Die Rückwärtserholung bestimmt, wie viel zusätzlicher Strom entsteht, wenn der Strom von einem Gerätepfad auf den anderen übergeht. Bauteile aus Siliziumkarbid verringern diesen Verlust in der Regel, während viele Silizium-MOSFETs bei harter Kommutierung höhere Ladungsabzugskosten über die Body-Diode oder eine Begleitdiode verursachen.

Ein zweistufiger Wechselrichterzweig liefert ein anschauliches Beispiel. Während der Totzeit fließt der Strom im unteren Zweig im Freilauf, dann schaltet sich der obere Schalter ein und muss die gespeicherte Ladung abführen, bevor die Spannung sauber ansteigt. Wenn das Modell die Rückwärtserholung außer Acht lässt, verringert sich die Einschaltspitze, die Verlustschätzung sinkt und die Strombelastung erscheint geringer, als sie tatsächlich sein wird.

Man kann diesen Abschnitt nicht allein anhand der Diodenladung beurteilen. Totzeit, Stromrichtung und Sperrschichttemperatur beeinflussen das Ergebnis. Hartgeschaltete Brücken machen sich ein schwaches Kommutierungsverhalten schnell bemerkbar. Deshalb kann ein Siliziumbauelement in einer auf den Leitungsbetrieb ausgerichteten Untersuchung zunächst gut abschneiden, dann aber an Boden verlieren, sobald man die gesamte Übergangsphysik mit einbezieht.

Thermische Grenzen entscheiden darüber, ob Effizienzgewinne auch bei Volllast bestehen bleiben

Thermische Grenzwerte entscheiden darüber, ob ein simulierter Wirkungsgradgewinn auch unter Volllast Bestand hat, da die Sperrschichttemperatur den Widerstand, die Schaltleistung und die sichere Betriebsreserve beeinflusst. Ein auf dem Papier kühleres Bauteil wird oft heiß, sobald Impulsverluste, Gehäusewiderstand und Kühlkörpergrenzen in dasselbe Modell einbezogen werden.

Ein 30-kW-Umrichter auf einer gemeinsam genutzten Kühlplatte verdeutlicht das Risiko. Bei geringer Last scheinen beide Geräte problemlos zu funktionieren. Bringt man das Modell jedoch auf den Nennstrom und berücksichtigt dabei die transiente thermische Impedanz, verlangsamt sich der heißere Schalter, verliert an Leitfähigkeitsreserve und kann eine Leistungsreduzierung erzwingen, lange bevor der durchschnittliche Wirkungsgrad alarmierend erscheint.

Der thermische Widerstand im stationären Zustand allein reicht hier nicht aus, um Sie zu schützen. Zyklischer Betrieb, Anlaufströme und ungleichmäßige Belastung der Anschlüsse führen zu Temperaturschwankungen, die durch einen einzelnen festen Übergangswert verdeckt werden. Da Sie ein Bauteil auswählen möchten, das auch unter Belastung zuverlässig bleibt, muss das thermische Netzwerk Teil der Schaltanalyse sein und darf nicht nur neben dieser stehen.

Auch bei Spannungswandlern mit niedrigerer Spannung setzen sich weiterhin leistungsstarke Silizium-MOSFET-Modelle durch

Bei Wandlern für niedrigere Spannungen erweisen sich leistungsstarke Silizium-MOSFET-Modelle oft als vorteilhaft, da Leitungsverluste, parasitäre Effekte des Gehäuses und der mit zusätzlichen Kosten verbundene Gate-Ansteuerungsaufwand den Schaltvorteil von Siliziumkarbid überwiegen. Ein SiC-MOSFET ist nicht automatisch die richtige Wahl in den 48-V-, 80-V- oder 100-V-Klassen, in denen der Strom hoch und die Spannung moderat ist.

Ein bidirektionaler 48-V-Wandler, der zur Batteriepufferung eingesetzt wird, eignet sich gut als Testfall. Die Hauptverluste können eher im Kanalwiderstand, in den Kupferbahnen und in der Totzeit liegen als in der Überlappung beim Hochspannungsschalten. Ein moderner Leistungs-MOSFET aus Silizium mit niedrigem Durchlasswiderstand und einem gut modellierten Gehäuse kann bei den Gesamtverlusten des Wandlers besser abschneiden als ein schlecht ausgewähltes Bauteil mit großer Bandlücke.

Außerdem ist es weniger wahrscheinlich, dass Sie den extremen dv/dt-Wert benötigen, der Siliziumkarbid bei höheren Bus-Spannungen attraktiv macht. Dadurch verlagert sich der Schwerpunkt bei der Auslegung auf Stromverteilung, Wärmeableitung und Gehäuseinduktivität. Eine gute Modellierung ist nach wie vor wichtig, nur aus einem anderen Grund. Sie überprüfen eher die Leitfähigkeit und das thermische Gleichgewicht als die nominelle Schaltgeschwindigkeit.

Der Arbeitszyklus des Wandlers entscheidet darüber, wann ein SiC-MOSFET geeignet ist

Anhand des Tastverhältnisses lässt sich feststellen, ob ein SiC-MOSFET den zusätzlichen Modellierungsaufwand und die höheren Baugruppenkosten rechtfertigt. Lange Schaltintervalle bei hoher Spannung sprechen für Siliziumkarbid. Kurze Schaltintervalle bei niedriger Spannung sprechen für Silizium. So lässt sich die Schaltphysik in ein kostenbezogener Betriebsmuster umwandeln, das Sie vergleichen können.

„Die richtige Wahl eines Leistungs-MOSFETs hängt von der passenden elektrischen Belastung ab, nicht von Materialangaben oder isolierten Werten aus dem Datenblatt.“

Eine 800-V-Leistungsfaktorkorrekturstufe mit häufiger harter Kommutierung spricht in der Regel für einen SiC-MOSFET. Ein 48-V-Synchron-Buck-Wandler, der die meiste Zeit im leitenden Zustand arbeitet, spricht hingegen eher für ein leistungsstarkes Silizium-Modell. Der Tastgrad verbindet die vier entscheidenden Simulationsunterschiede miteinander, da er festlegt, wie oft Gate-Ladung, Ausgangskapazität, Rückwärtserholung und Wärme tatsächlich eine Rolle spielen.

SPS SOFTWARE eignet sich für diese Aufgabe, wenn Sie möchten, dass diese Entscheidung auf transparenten Modellen statt auf vagen Annahmen basiert. Wenn Sie den Gate-Pfad, die Kapazitätskurven und das thermische Netzwerk unter denselben Betriebsbedingungen untersuchen können, wird die Wahl des Siliziumkarbids zu einer fundierten technischen Entscheidung statt zu einer reinen Materialpräferenz.