3-Phasen-SiC-Power-Stack Integriert 3-Phasen-1200-V/340-550-A-SiC-MOSFET-Leistungsmodul

Von Gerd Kucera

Der belgische Hochtemperatur-Halbleiterhersteller CISSOID arbeitet zusammen mit NAC Semi (Design Service, USA) und Advanced Conversion (Militär-Stromversorgungen, USA) an SiC-Wechselrichtern mit hoher Leistungsdichte.

Das SiC-Power-Stack ist mit einer Steuerplatine und Algorithmen erweiterbar, um Echtzeitverarbeitung, Steuerung und funktionale Sicherheit für SiC-Wechselrichter in E-Motorantrieben zu ermöglichen.
Das SiC-Power-Stack ist mit einer Steuerplatine und Algorithmen erweiterbar, um Echtzeitverarbeitung, Steuerung und funktionale Sicherheit für SiC-Wechselrichter in E-Motorantrieben zu ermöglichen.
(Bild: CISSOID )

Mit Schwerpunkt auf dem Automobilmarkt liefert CISSOID dedizierte Hochtemperatur- und Hochvolt-Lösungen für Leistungsumwandlung und Motorantriebe. Die Hochspannungs-Gate-Treiber für SiC- und GaN-Transistoren, Leistungsmodule mit niedrigen Induktivitäten und verbesserter thermischer Leistung sowie Komponenten für den Automobilbereich, die bei 175 °C die Qualifikationsnorm AEC-Q100 Grade 0 übertreffen, sind Spezialitäten des belgischen Unternehmens. Weitere Branchen-Lösungen gibt es zur Signalkonditionierung in rauen Umgebungen, Motorsteuerung, Timing-Anwendung und Stromversorgung, für die einen zuverlässigen Betrieb von -55 bis +225 °C garantiert wird.

CISSOID hat eine Palette von SiC-MOSFETs für intelligente Leistungsmodule zum Einsatz in elektrischen Antrieben im Automobil- und Industrieanwendungen. Diese SiC-MOSFETs geben Wandler eine hohe Leistungsdichte und ermöglichen den sicheren Betrieb bei Sperrschichttemperaturen bis 175 °C mit geringen Schaltverlusten. Solche Hochtemperatur-HV-MOSFETs sind im TO-247-Standardgehäuse gekapselt und haben eine Durchbruchspannung von über 1200 V für Ströme bis 60 A.

Seit mehr als 30 Jahren ist Advanced Conversion Technology (ACT) nach eigenen Angaben Lieferant von Stromversorgungen für militärische und industrielle Anwendungen. Entwickelt und gefertigt wird ein umfangreiches Sortiment

SiC-Wechselrichter für E-Motorantriebe

CISSOID, NAC und Advanced Conversion haben die Entwicklung eines kompakten und integrierten 3-Phasen-SiC-Power-Stacks bekannt gegeben, der ein intelligentes 1200-V-SiC-Leistungsmodul von CISSOID und einen 6-Pack-DC-Link-Kondensator mit niedrigem ESR/ESL von Advanced Conversion kombiniert. Dieser Power Stack kann weiter mit einer Steuerplatine und einem Flüssigkeitskühler integriert werden und bietet eine vollständige Hardware- und Softwareplattform für die Entwicklung von SiC-Wechselrichtern mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad für Motorantriebe.

Die IPM-Plattform von CISSOID integriert ein 3-Phasen-1200-V/340-550-A-SiC-MOSFET-Leistungsmodul mit einem temperaturbeständigen Gate-Treiber, der niedrige Schaltverluste und eine hohe Leistungsdichte ermöglicht. Der Durchlasswiderstand des Leistungsmoduls reicht je nach Nennstrom von 2,53 bis 4,19 mΩ. Die gesamte Schaltenergie beträgt 7,48 mJ (Eon) und 7,39 mJ (Eoff) bei 600 V/300 A. Die gemeinsame Entwicklung des Leistungsmoduls und des Gate-Treibers ermöglicht es nach Angaben des Konsortiums, die IPMs für niedrigste Schaltenergien zu optimieren, indem dV/dt sorgfältig abgestimmt und Spannungsüberschwinger kontrolliert werden, wie sie bei schnellem Schalten auftreten. Der integrierte Gate-Treiber löst mehrere Herausforderungen im Zusammenhang mit schnell schaltenden SiC-Transistoren: negative Ansteuerung und Active Miller Clamping (AMC) verhindern parasitäres Einschalten; Entsättigungserkennung und Soft-Shut-Down (SSD) reagieren schnell, aber sicher auf Kurzschlussereignisse; Undervoltage Lockout (UVLO) für Gate-Treiber und DC-Busspannungen überwachen den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems.

Der 6-Pack-DC-Link-Kondensator von Advanced Conversion passt mechanisch über eine Stromschiene mit niedriger Induktivität zu den IPMs von CISSOID. Eine Reihe von Kondensatoren bis 500 µF mit Nennspannungen bis 900 V steht für eine schnelle Evaluierung zur Verfügung. Kundenspezifische Lösungen sind ebenfalls erhältlich, basierend auf einem fortschrittlichen ringförmigen Filmkondensator, der sich für die direkte Montage an einer optimierten Busstruktur eignet, die mit den Schaltmodulen verbunden ist. Dieser nach eigenen Angaben patentierte Ansatz in Kombination mit der Buskühlung bietet eine sehr hohe Nennleistung von Ampere pro Mikrofarad, um die kleinstmögliche Kapazität zu ermöglichen und gleichzeitig die Induktivität der Kommutierungsschleife zu minimieren. Mittels des richtigen Schaltmoduls mit entsprechendem Anschlussdesign lassen sich problemlos äquivalente Serieninduktivitätswerte von weniger als 5 nH erzielen.

„Der DC-Zwischenkreis ist ein kritisches Bauelement für schnell schaltende Hochleistungs-Wechselrichter, das in der Anfangsphase des Designs oft übersehen wird“, so James Charlton, Director Product Marketing bei der NAC Group, „effiziente, schnell schaltende Wide-Bandgap-Bauelemente erfordern jedoch eine sorgfältig entwickelte DC-Link-Bus-Topologie mit eng integrierten Kondensatoren. Wir haben deshalb mit Advanced Conversion zusammengearbeitet um eine Reihe von Kits für den Einsatz mit dem CISSOID-Modul zu entwickeln.“

Pierre Delatte, CTO von CISSOID, erklärte dazu: „Mittels Kondensator-Kit können Anwender sofort einen Hochleistungskondensator bestimmen, der zu den schnell schaltenden 3-Phasen-SiC-IPMs passt und so ihr Wechselrichterdesign für kompakte und effiziente E-Motorantriebe beschleunigen.“

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