SiC-MOSFET oder Si-IGBT? – Die Zukunft der Motorsteuerung

Omara Aziz, Power Technology Segment Leader EMEA, Arrow ElectronicsDie Anforderungen in puncto Steuerung, Effizienz und Funktionsumfang elektromechanischer Bausteine wachsen parallel zu Fortschritten in den Bereichen Fertigungsautomatisierung, Elektrofahrzeuge, fortschrittliche Gebäudesysteme, ‚Smart Appliances' und in anderen Branchen. Traditionell werden IGBTs auf Siliciumbasis (Si-IGBT) zur Spannungswandlung von Elektromotoren eingesetzt. Si-IGBTs wurden dank ihrer hohen Strombelastbarkeit, schnellen Schaltgeschwindigkeit und niedrigen Kosten seit jeher in DC-gespeisten AC-Motorantrieben eingesetzt. Zu den besonderen Vorzügen von Si-IGBTs zählen hohe Nennspannungen bei niedrigen Werten in Bezug auf Spannungsabfall, Leitungsverlusten und thermische Impedanz. Damit sind sie auf den ersten Blick ideal für Motorantriebsanwendungen mit hoher Leistung, beispielsweise Fertigungssysteme. Ein gravierender Nachteil von Si-IGBTs ist allerdings ihre hohe Anfälligkeit gegen thermische Instabilität, das sogenannte ‚Thermal Runaway'. Dazu kommt es, wenn die Bausteintemperatur unkontrollierbar steigt, was zur Fehlfunktion und letztlich zum Ausfall des Bausteins führt. Bei Motorantrieben in Elektrofahrzeugen, im Fertigungsbereich und in anderen Einsatzgebieten, wo hohe Ströme, Spannungen und Betriebsbelastung häufig sind, kann das Thermal Runaway ein erhebliches Designrisiko darstellen.

Si-IGBTs und SiC-MOSFETs im Vergleich

Als Lösung für diese Designherausforderung bieten sich SiC-MOSFETs an, die gegen Thermal Runaway wesentlich unempfindlicher sind. Siliciumcarbid ermöglicht aufgrund seiner höheren Temperaturleitfähigkeit eine bessere Wärmeableitung und stabile Betriebstemperaturen. SiC-MOSFETs eignen sich besser für Einsatzbereiche mit höheren Umgebungstemperaturen, beispielsweise in Fahrzeugen und Industrieanwendungen. SiC-MOSFETs können darüber hinaus wegen ihrer Wärmeleitfähigkeit auch zusätzliche Kühlsysteme überflüssig machen. Dies reduziert nicht nur die Größe des Gesamtsystems, sondern kann auch die Systemkosten verringern.

Da SiC-MOSFETs mit wesentlich höheren Schaltfrequenzen betrieben werden können als Si-IGBTs, eignen sie sich für Einsatzbereiche, in denen es auf eine genaue Motorsteuerung ankommt. Hohe Schaltfrequenzen sind entscheidend in der Fertigungsautomatisierung, wo hochgenaue Servomotoren benötigt werden, um Werkzeugarme zu steuern, präzise Schweißvorgänge durchzuführen und Gegenstände präzise zu platzieren. Ein weiterer Vorzug von Motorantriebssystemen mit SiC-MOSFET gegenüber Si-IGBT ist die Integration in Motorbaugruppen, weil Motorregler und Wechselrichter direkt im Motorgehäuse untergebracht werden können.

Durch die Anbringung der Motortreiberbaugruppe direkt am Motor lässt sich die Kabellänge zwischen Antriebswechselrichtern und Motortreiber drastisch verringern. Dadurch werden erhebliche Einsparungen möglich. Im Beispiel des Roboterarms in obiger Abbildung bräuchte man zum Betrieb der sieben (mit ‚M' bezeichneten) Motoren in einem traditionellen Si-IGBT-Versorgungsschrank insgesamt 21 Einzelkabel. Dies bedeutet Hunderte Meter kostspieliger und komplexer Verkabelung.

Vergleich der Steuerung eines Roboterarms mit Systemen auf Basis von Silizium-IGBT vs. Siliziumcarbid-MOSFET

Nachteile gegenüber Si-IGBTs

SiC-MOSFETs sind immer noch teurer als Si-IGBTs, wodurch sie sich potenziell weniger für kostensensible Anwendungen eignen. Trotz des höheren Preises der SiC-MOSFETS sind in einigen Anwendungen Preisvorteile (durch geringeren Kabelaufwand, Einsatz passiver Komponenten, Wärmemanagement usw.) im Motorantriebssystem insgesamt möglich. Dieses kann dadurch alles in allem preiswerter sein als ein Si-IGBT-System. Solche Kosteneinsparungen erfordern möglicherweise umfangreiche Design- und Kostenstudien-Analysen zwischen den beiden Anwendungssystemen, könnten jedoch die Effizienz erhöhen und zu Kosteneinsparungen führen.

Ein weiterer Nachteil von SiC-MOSFETs besteht in den u.U. höheren Anforderungen an die Gate-Ansteuerung. Dadurch sind sie IGBTs in Anwendungen unterlegen, wo die Gate-Ansteuerungsressourcen durch andere Komponenten eingeschränkt werden.

Verbesserte Wechselrichtertechnologie

Siliciumcarbid-MOSFETs haben die Wechselrichtertechnologie für Motorantriebssysteme massiv verbessert. Wie bei allen Arten von Komponenten gibt es auch Anwendungen, in denen IGBTs nach wie vor besser geeignet sind. Allerdings bieten SiC-MOSFET-Wechselrichter einige ausgeprägte Vorteile im Vergleich zu Si-IGBTs. Dadurch sind sie äußerst attraktive Lösungen für Motorantriebe und ein breites Spektrum anderer Anwendungen.