MOSFET oder IGBT – die Zukunft der Motorsteuerung
Elektromechanische Bausteine – von Schaltern, Relais und Encodern bis hin Generatoren und Elektromotoren – bilden die grundlegende Brücke von der digitalen zur realen Welt. Alle diese Geräte vereint ihre Magie, elektrische Signale in mechanische Aktionen umzuwandeln.
Die Anforderungen in puncto Steuerung, Effizienz und Funktionsumfang dieser elektromechanischen Bausteine wachsen parallel zu den Fortschritten in den Bereichen Fertigungsautomatisierung, Elektrofahrzeuge, fortschrittliche Gebäudesysteme, „Smart Appliances“ und in anderen Branchen. Traditionell werden IGBTs auf Siliziumbasis (Si-IGBT) zur Spannungswandlung von Elektromotoren eingesetzt. Der vorliegende Artikel beleuchtet die neuen Möglichkeiten, die sich durch die Fortschritte bei den MOSFETs auf Basis von Siliziumcarbid (SiC-MOSFETs) hier eröffnen. Diese Innovation erweitert die Fähigkeiten von Motorantriebsanwendungen in praktisch allen Branchen.
Was sind Si-IGBTs und SiC-MOSFETs?
Die Abkürzung „Si-IGBT“ steht für „Silicon-insulated-Gate bipolar Transistors“, also Bipolar-Transistoren mit Sperrschichten aus Silizium. SiC-MOSFET bedeutet „Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor“ und bezeichnet Feldeffekttransistoren auf Basis von Siliziumcarbid.
Si-IGBTs sind stromgesteuerte Bausteine, die durch einen am Gate-Anschluss des Transistors angelegten Strom geschaltet werden. Dagegen erfolgt die Steuerung bei MOSFETs mittels einer am Gate-Anschluss anliegenden Spannung.
Der Hauptunterschied zwischen Si-IGBTs und SiC-MOSFETs besteht in der Art des Stroms, den sie verarbeiten können. Allgemein lässt sich sagen: MOSFETs eignen sich für Schaltanwendungen mit hoher Frequenz. IGBTs eignen sich besser für Anwendungen mit hoher Leistung.
Warum IGBTs aus Silizium und MOSFETs aus Siliziumcarbid in Motorantrieben unverzichtbar sind
Elektromotoren begegnen uns in der modernen Technik überall und werden oftmals mit Strom aus Batteriesystemen betrieben. Ein Beispiel dafür sind Elektrofahrzeuge: Sie besitzen große Batteriesysteme aus einer Vielzahl von Einzelakkus, die Gleichstrom liefern. Dieser wird dann in Wechselstrom für die AC-Antriebsmotoren umgewandelt. Die absolute Steuerung dieser AC-Motoren ist entscheidend nicht nur für die Leistung und Effizienz des Fahrzeugs selbst, sondern auch für die Sicherheit seiner Insassen. Bei dieser Art von Antriebsstrang muss jedoch die von der Batterie erzeugte DC-Spannung in ein AC-Signal umgewandelt werden, damit die Motoren das Fahrzeug antreiben können.
Die Wechselrichter übernehmen nicht nur die präzise Steuerung von Drehzahl, Drehmoment, Leistung und Effizienz des Motors, sondern ermöglichen auch die Rückspeicherung der Bremsenergie. Letztlich ist der Wechselrichter für das Antriebsstrangsystem ebenso wertvoll wie der Motor selbst. Wechselrichter sind entscheidend für die Gesamtleistung von der DC-Spannungsversorgung bis zum AC-Motorsystem. Wie bei allen Bausteinen auf dem Gebiet der Leistungselektronik gibt es auch bei ihnen große Unterschiede in Bezug auf Fähigkeiten und Designanforderungen.
In modernen DC-AC-Motorantriebsanwendungen kommen zwei Arten von Wechselrichtern zum Einsatz: Silizium-IGBTs und Siliziumcarbid-MOSFETs. Historisch gesehen sind Si-IGBTs am häufigsten. Aber SiC-MOSFETs gewinnen durch ihre verschiedenen Leistungsvorteile und ständig sinkenden Kosten rapide an Beliebtheit. Als SiC-MOSFETs zuerst auf den Markt kamen, waren sie für die meisten Motorantriebsanwendungen noch viel zu teuer. Mit der zunehmenden Verbreitung dieser überlegenen Technologie und den dadurch möglichen größeren Stückzahlen sind jedoch die Kosten von SiC-MOSFETs drastisch gesunken.
Si-IGBTs und SiC-MOSFETs im Vergleich: Vorteile und Nachteile
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.
Als Lösung für diese Designherausforderung bieten sich SiC-MOSFETs an, die gegen Thermal Runaway wesentlich unempfindlicher sind. Siliziumcarbid 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 auch mit wesentlich höheren Schaltfrequenzen betrieben werden können als Si-IGBTs, eignen sie sich ideal für Einsatzbereiche, in denen es entscheidend 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.
Darüber hinaus besteht ein weiterer wichtiger Vorzug von Motorantriebssystemen mit SiC-MOSFET gegenüber SI-IGBT in der Fähigkeit zur 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 von Abbildung B 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. Mit einem SiC-MOSFET-Motorantriebssystem verringert sich der Aufwand auf zwei lange Kabel zur Verbindung der Motorantriebe jedes Motors innerhalb der lokalen Motorbaugruppe.
Bild 2: Vergleich der Steuerung eines Roboterarms mit Systemen auf Basis von Silizium-IGBT vs. Siliziumcarbid-MOSFET.
Nachteile von SiC-MOSFETs gegenüber Si-IGBTs
Allerdings haben SiC-MOSFETs auch Nachteile im Vergleich zu Si-IGBTs. Zunächst sind SiC-MOSFETs immer noch teurer als Si-IGBTs, wodurch sie sich potenziell weniger für kostensensible Anwendungen eignen. Trotz des höheren Preises der eigentlichen SiC-MOSFETS sind in einigen Anwendungen dennoch 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 ihren unter Umständen höheren Anforderungen an die Gate-Ansteuerung. Dadurch sind sie IGBTs in Anwendungen unterlegen, wo die Gate-Ansteuerungsressourcen durch andere Komponenten im System eingeschränkt werden.
Verbesserte Wechselrichtertechnologie mit Siliziumcarbid-MOSFETs
Siliziumcarbid-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.
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