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In der modernen Leistungselektronik sind Schaltverluste einer der kritischsten Faktoren für die Systemeffizienz. Mit steigenden Schaltfrequenzen in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge, Industrieantrieben und erneuerbaren Energiesystemen müssen Ingenieure die Verluste und das Schaltverhalten von MOSFETs sorgfältig bewerten.

Mit der Einführung der Siliziumkarbid-Technologie
SiC-MOSFETs
reduzieren die Schaltverluste im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumbauelementen erheblich. Dennoch ist die genaue Berechnung der MOSFET-Schaltverluste aus dem Datenblatt für ein korrektes thermisches Design und die Bauteilauswahl weiterhin entscheidend.

Dieser Artikel erklärt:

• Wie man MOSFET-Schaltverluste berechnet
  

• Wie man MOSFET-Leistungsverluste in realen Systemen abschätzt
  

• Wie die SiC-Technologie Schaltverluste reduziert
  

• Wie Ruilin Semiconductor
  RL800N1200A2mΩ SiC
  Wie verbessert ein solches Hochleistungsmodul die Effizienz von Wechselrichtern?
  

Was sind SiC-Schaltverluste?

Schaltverluste treten während des Übergangs zwischen dem Ein- und Ausschaltzustand eines Leistungshalbleiterbauelements auf.

Wenn ein MOSFET schaltet, liegen Spannung und Strom für kurze Zeit gleichzeitig an. Diese Überlappung führt zu Energieverlusten.

Schaltverluste können wie folgt dargestellt werden:

P
s
w
=
21V
DS
我
d
(t
r
+
t
f
)f
s
w

davon:

• V
  DS
   = Drain-Source-Spannung
  

• 我
  d
   = Drain-Strom
  

• t
  r
   = Anstiegszeit
  

• t
  f
   = Abfallzeit
  

• f
  s
  w
   = Schaltfrequenz
  

Diese Formel bildet die Grundlage für die Berechnung der MOSFET-Verlustleistung, die Ingenieure beim Design der Leistungsstufe verwenden.

Berechnung der MOSFET-Verlustleistung

Die Gesamtverluste eines MOSFET setzen sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen.

Leitungsverluste

P
Konstante
=
我
2R
DS
(Ein
)

Diese Verluste hängen ab von:

• Gerätestrom
  

• Durchlasswiderstand
  

Schaltverluste
Schaltverluste steigen mit folgenden Faktoren:

• Schaltfrequenz
  

• Spannungspegel
  

• Schaltgeschwindigkeit
  

Daher muss die Berechnung der MOSFET-Verluste sowohl die Leitungsverluste als auch die Schaltverluste berücksichtigen.

Aufgrund der Materialeigenschaften
SiC-MOSFETs
werden beide Verlustarten deutlich reduziert.

Berechnung der MOSFET-Schaltverluste aus dem Datenblatt

Ingenieure verwenden in der Regel die Parameter aus dem Datenblatt zur Berechnung der MOSFET-Schaltverluste.

Das Datenblatt enthält normalerweise:

• Einschaltenergie
  E
  o
  n
  

• Ausschaltenergie
  E
  o
  ff
  

Die gesamten Schaltverluste können wie folgt abgeschätzt werden:

P
s
w
=
(E
Ein
+
E
o
ff
)f
s
w

Diese Methode wird häufig bei der Bewertung von Bauteilen von Herstellern wie Infineon verwendet.

Beispielsweise empfehlen viele Applikationshinweise von Infineon zur Berechnung der Schaltverluste von MOSFETs die Verwendung von Schaltenergiewerten unter bestimmten Testbedingungen.

Allerdings müssen Ingenieure auch Folgendes berücksichtigen:

• Tatsächlicher Gate-Widerstand
  

• Systeminduktivität
  

• Betriebstemperatur
  

Diese Faktoren können die tatsächlichen Schaltverluste erheblich beeinflussen.

Schaltverluste in SiC-MOSFETs verstehen – auf dem Weg zu nahezu verlustfreiem Schalten

Die Entwicklung der SiC-MOSFET-Technologie zielt darauf ab, die Schaltverluste auf ein nahezu verlustfreies Schaltverhalten zu reduzieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-IGBT-Bauelementen
SiC-MOSFETs
bietet:

• Schnellere Schaltgeschwindigkeiten
  

• Niedrigere Ausgangskapazität
  

• Niedrigere Sperrverluste
  

Aufgrund dieser Eigenschaften können die Schaltverluste von SiC deutlich niedriger sein als bei herkömmlichen Siliziumbauelementen.

In Hochfrequenzanwendungen wie Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge kann die Reduzierung der Schaltverluste die Systemeffizienz um mehrere Prozentpunkte steigern.

Dies ermöglicht außerdem:

• Kleinere Kühlkörper
  

• Höhere Leistungsdichte
  

• Höhere Schaltfrequenz
  

Beispiel: Ruilin
RL800N1200A Siliziumkarbid
Schaltverlustanalyse des Moduls

Um den Einfluss der SiC-Technologie zu veranschaulichen, betrachten wir ein Hochstrom-SiC-Leistungsmodul wie das RL800N1200A.

Typische Eigenschaften:

• 800A Strombelastbarkeit
  

• 1200V Nennspannung
  

• Ultraniedriger Rds(on) von 2mΩ
  

• Optimierte Schalteigenschaften
  

Niedriger Durchlasswiderstand reduziert Leitungsverluste deutlich:

P
Konstante
=
我
2R
DS
(Ein
)

Zum Beispiel reduziert eine Senkung des Widerstands von 4 mΩ auf 2 mΩ bei hohen Strömen die Leitungsverluste um etwa 50 %.

Darüber hinaus verbessern optimierte Gate-Strukturen und niedrige parasitäre Induktivitäten die Schaltleistung und reduzieren die Schaltverluste von SiC.

Diese Eigenschaften machen Hochleistungs-SiC-Module ideal für:

• Elektrofahrzeug-Traktionswechselrichter
  

• Industrielle Stromrichter
  

• Erneuerbare-Energie-Systeme
  

Designüberlegungen zur Reduzierung von MOSFET-Verlusten

Ingenieure, die effiziente Leistungswandler entwickeln, sollten verschiedene Strategien zur Reduzierung von MOSFET-Verlusten in Betracht ziehen.

Auswahl von Bauteilen mit niedrigem Rds(on)
Ein niedrigerer Einschaltwiderstand reduziert die Leitungsverluste erheblich.

Optimierung des Gate-Treiber-Designs
Ein geeigneter Gate-Widerstand erhöht die Schaltgeschwindigkeit und reduziert Verluste.

Reduzierung parasitärer Induktivitäten
Optimierte Modul- und PCB-Designs minimieren Spannungsüberschwinger und Schaltenergie.

Verwendung fortschrittlicher SiC-Module
Hochleistungs-SiC-Module bieten verbesserte Schalteigenschaften und thermische Leistung.

Fazit

Eine genaue Berechnung der MOSFET-Schaltverluste ist für die Entwicklung effizienter leistungselektronischer Systeme unerlässlich.

Durch das Verständnis von:

• Berechnung der MOSFET-Verlustleistung
  

• Berechnung der Schaltverluste aus dem Datenblatt
  

• Vorteile der SiC-MOSFET-Technologie
  

Ingenieure können die Effizienz und Zuverlässigkeit von Systemen erheblich verbessern.

Wie Relin
RL800N1200A2mΩ
Solche modernen SiC-Module zeigen, wie fortschrittliche Halbleitertechnologie Schaltverluste reduziert und leistungsstarke, hocheffiziente Wechselrichtersysteme ermöglicht.

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Leistungselektronik wird die Optimierung von SiC-Schaltverlusten eine Schlüsselrolle in zukünftigen Systemen für Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien und industrielle Anwendungen spielen.

Häufig gestellte Fragen: SiC-Schaltverluste

Wie berechnet man die Schaltverluste eines MOSFET?
Die Schaltverluste können mit den im Datenblatt angegebenen Schaltenergiewerten Eon und Eoff berechnet werden.

P
s
w
=
(E
Ein
+
E
o
ff
)f
s
w

Dabei bestimmt die Schaltfrequenz die gesamte Verlustleistung.

Warum haben SiC-MOSFETs geringere Schaltverluste?
Im Vergleich zu Siliziumbauelementen weisen SiC-MOSFETs niedrigere Kapazitäten und schnellere Schalteigenschaften auf, was die Schaltenergie deutlich reduziert.

Was verursacht Schaltverluste bei MOSFETs?
Schaltverluste treten während des Übergangs zwischen Ein- und Ausschaltzustand auf, wenn Spannung und Strom kurzzeitig überlappen.

Wie lassen sich MOSFET-Leistungsverluste reduzieren?
Leistungsverluste können auf folgende Weise reduziert werden:

• Auswahl von Bauteilen mit niedrigem Rds(on)
  

• Optimierung der Gate-Treiberschaltung
  

• Reduzierung parasitärer Induktivitäten
  

• 使用高效SiC模块