Einführung in Siliziumkarbid (SiC) und seine Anwendungsvorteile in Hybrid-Wechselrichtern

Vor dem Hintergrund der Energiewende und der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik-Technologie sind Hybrid-Wechselrichter als effizientes und flexibles Leistungswandlungsgerät in Bereichen wie dezentralem Energiezugang, Energiespeichersystemen und Elektrofahrzeugen weit verbreitet. Die Einführung von Siliziumkarbid (SiC)-Geräten hat revolutionäre Veränderungen in der Leistungsverbesserung von Hybrid-Wechselrichtern gebracht. Dieser Artikel wird eine detaillierte Einführung in die Eigenschaften von SiC-Geräten und deren Vorteile in Hybrid-Wechselrichtern geben.

1. Eigenschaften und Vorteile von SiC-Geräten

(1) Materialeigenschaften

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von etwa 3,26 Elektronenvolt, viel höher als die 1,12 Elektronenvolt von herkömmlichem Silizium (Si). Diese Eigenschaft ermöglicht es SiC-Geräten, stabil in Hochtemperatur-, Hochspannungs- und Hochfrequenz-Umgebungen zu arbeiten. Darüber hinaus haben SiC-Materialien auch folgende Vorteile:

Hohe Durchschlagsfeldstärke: Die Durchschlagsfeldstärke von SiC beträgt etwa 10-mal die von Silizium, etwa 3MV/cm. Dies bedeutet, dass SiC-Geräte bei gleicher Spannung dünnere Driftschichten haben können, wodurch der Widerstand verringert wird.

• Hohe Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit von SiC beträgt etwa das Dreifache von Silizium, etwa 4,9 W/cm · K. Dadurch können SiC-Geräte Wärme unter Bedingungen hoher Leistungsdichte effektiver ableiten.

• Hohe Elektronensaturationsdriftgeschwindigkeit: Die Elektronensaturationsdriftgeschwindigkeit von SiC beträgt etwa 2 × 10 ⁷ cm/s, was es in Hochfrequenzanwendungen erheblich vorteilhaft macht.

Abbildung 1: Vergleich der Materialeigenschaften zwischen SiC und Si

(2) Gerätetyp

Zu den gängigen SiC-Stromversorgungsgeräten gehören:

SiC MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor): Mit niedrigem Widerstand und schneller Schaltgeschwindigkeit ist es weit verbreitet in der Leistungsumwandlung und im Motorantrieb.

SiC SBD (Schottky Barrier Diode): Mit niedrigerem Vorwärtsspannungsabfall und höherem Rückspannungsabstand ist es für Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen geeignet.

SiC JFET (Junction Field-Effect Transistor): hauptsächlich für Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen, mit hoher Durchschlagsspannung und Hochgeschwindigkeitsschaltfähigkeit verwendet.

SiC IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Obwohl es sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befindet, hat es aufgrund seines potenziell hohen Wirkungsgrades und seiner hohen Leistungsdichte breite Perspektiven in den Bereichen Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien.

Abbildung 2: Wichtigste SiC-Geräte

(3) Anwendungsvorteile

SiC-Geräte weisen erhebliche Vorteile in leistungselektronischen Systemen auf:

• Hohe Effizienz: SiC-Geräte haben niedrigere Leitungs- und Schaltverluste während des Schaltvorgangs und im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumgeräten haben sie erhebliche Vorteile in der Leistungsumwandlungseffizienz. Beispielsweise kann der Einsatz von SiC-Geräten im Antriebssystem und in Ladestationen von Elektrofahrzeugen die Gesamtenergieeffizienz deutlich verbessern.

Hohe Temperaturstabilität: SiC-Materialien können auch bei hohen Temperaturen gute elektrische Eigenschaften beibehalten, mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die Wärme in Hochleistungsanwendungen effektiv ableiten kann.

Hochfrequenzeigenschaften: SiC-Geräte können mit höheren Frequenzen arbeiten und eignen sich für Hochfrequenzschaltgeräte und HF-Anwendungen. Hochfrequenzeigenschaften helfen nicht nur, die Größe und das Gewicht der Stromversorgung zu reduzieren, sondern verbessern auch die Gesamteffizienz des Systems.

• Umweltfreundlichkeit: Die chemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit von SiC-Materialien machen sie gut in rauen Umgebungen und weniger anfällig für Oxidation und Umweltverschmutzung.

2. Vorteile von SiC-Geräten in Hybrid-Wechselrichtern

(1) Hohe Schaltfrequenz und geringer Schaltverlust

Die hohen Schaltfrequenzen von SiC-Geräten ermöglichen es Hybrid-Wechselrichtern, kleinere passive Komponenten wie Induktoren und Kondensatoren zu verwenden, wodurch Größe und Gewicht des Wechselrichters deutlich reduziert und die Leistungsdichte verbessert wird. Gleichzeitig erzeugen SiC-Geräte extrem geringe Verluste während des Schaltvorgangs, was die Effizienz von Hybrid-Wechselrichtern im Hochfrequenzbetrieb erheblich verbessert, Verluste bei der Energieumwandlung reduziert und die Gesamtenergieeffizienz des Systems verbessert.

Abbildung 3: Im Vergleich zu IGBT (oben) kann SiC MOSFET (unten) Schaltverluste um mehr als 70% bei einer Schaltfrequenz von 30 kHz reduzieren. (Bildquelle: Microchip Technology)

(2) Hohe Temperatur Arbeitsfähigkeit und Wärmeableitung Vorteile

SiC-Geräte können stabil bei höheren Temperaturen arbeiten, mit einem viel größeren Betriebstemperaturbereich als herkömmliche Silizium-basierte Geräte. Dadurch arbeitet der Hybrid-Wechselrichter stabil in Hochtemperaturumgebungen und reduziert die Abhängigkeit von komplexen Kühlsystemen. In einigen kompakten und platzbeschränkten Anwendungsszenarien, wie kleinen Wechselrichtern in industriellen Automatisierungsanlagen, kann der Einsatz von SiC-Geräten die Wärmeableitung vereinfachen, die Wärmeableitungskosten senken und die Systemzuverlässigkeit verbessern.

(3) Hohe Spannungsbeständigkeit und Systemzuverlässigkeit

SiC-Geräte haben eine ausgezeichnete Hochspannungstoleranz und können sicher und stabil in Hochspannungsumgebungen arbeiten. Bei Hybrid-Wechselrichtern bedeutet dies, dass höhere DC-Busspannungen genutzt werden können, um Strompegel zu reduzieren, Leitungsverluste zu minimieren und elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Die hohe Spannungsbeständigkeit ermöglicht es Hybrid-Wechselrichtern auch, sich besser an Stromversorgungssysteme unterschiedlicher Spannungsniveaus anzupassen, was die Systemkompatibilität und Flexibilität verbessert.

Abbildung 4: Vergleich der Spannungsausdauerleistung zwischen Si- und SiC-Geräten

(4) Dynamisches Ansprechverhalten und verbesserte Steuerungsleistung

Die schnellen Schalteigenschaften von SiC-Geräten verbessern die dynamische Ansprechgeschwindigkeit von Hybrid-Wechselrichtern erheblich. Bei plötzlichen Lastwechseln oder Netzschwankungen können Wechselrichter ihre Leistung schneller anpassen, um den stabilen Betrieb des Stromsystems aufrechtzuerhalten. Eine schnelle dynamische Reaktionsfähigkeit ist besonders wichtig für den Netzanschluss dezentraler Energie, etwa in erneuerbaren Energiesystemen wie Solar-Photovoltaik und Windenergie, die Leistungsschwankungen durch Wetteränderungen oder Lastschwankungen effektiv reduzieren und die Leistungsqualität verbessern können.

(5) Umweltanpassungsfähigkeit und Anwendungserweiterung

Die hohe Temperaturbeständigkeit, die hohe Druckbeständigkeit und die hohe Zuverlässigkeit von SiC-Geräten machen sie anpassungsfähiger an raue Umgebungen. Nach der Einführung von SiC-Geräten können Hybrid-Wechselrichter in einem größeren Bereich von Temperatur, Feuchtigkeit und elektromagnetischen Umgebungen stabil arbeiten und ihre Anwendungsszenarien erweitern. In industriellen Umgebungen mit hohen Temperaturen und Feuchtigkeit oder unter rauen natürlichen Bedingungen wie abgelegenen Gebieten und Offshore-Windenergie können Hybrid-Wechselrichter, die SiC-Geräte verwenden, die Leistungsumwandlungsanforderungen in speziellen Umgebungen besser erfüllen.

Abbildung 5: Hybrid-Wechselrichter mit SiC-Technologie

3. Zusammenfassung

SiC-Geräte haben aufgrund ihrer hervorragenden Materialeigenschaften, ihres hohen Wirkungsgrades, der Hochtemperaturstabilität und der Hochfrequenzeigenschaften erhebliche Vorteile zur Leistungsverbesserung von Hybrid-Wechselrichtern gebracht. Von der Verbesserung der Effizienz über die Reduzierung des Volumens bis hin zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit haben SiC-Geräte die Leistung von Hybrid-Wechselrichtern umfassend verbessert. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der SiC-Geräteherstellungstechnologie und der allmählichen Senkung der Kosten werden seine Anwendungsaussichten im Bereich der Hybridwerter noch breiter sein, was die weitere Entwicklung der Leistungselektronik-Technologie in vielen Bereichen wie neuer Energie, Elektrofahrzeugen und Industrieautomation fördern wird und starke Unterstützung für die Erzielung einer effizienten, zuverlässigen und grünen Energieumwandlung und -nutzung bietet. Invantroncis SiC-Serie Hybrid-Wechselrichter verwenden SiC-Geräte ausgiebig, mit ausgezeichnetem Design und zuverlässigen Produkten, die Leistungsbereiche von 3kw bis 20kw abdecken. Sie sind eine ideale Wahl für private und kleine industrielle und kommerzielle optische Speichersysteme.