Power-Chip, der Systeme kleiner und schneller macht

Ein neues Leistungsgerät könnte die Gestaltung von Hochspannungssystemen verändern, indem es Architekturen vereinfacht, Kosten senkt und bestehende Ansätze ersetzt.

Wolfspeed hat den branchenweit ersten kommerziell erhältlichen 10-kV-Leistungs-MOSFET aus Siliziumkarbid (SiC) angekündigt.Es ist auf Hochspannungssysteme ausgerichtet, wo es ein flexibleres Systemdesign ermöglicht, die Haltbarkeit verbessert und eine zuverlässige und nachhaltige Stromversorgung für Anwendungen wie Netzinfrastruktur, industrielle Elektrifizierung und KI-Rechenzentren unterstützt.Das Gerät stellt bestehende Energieumwandlungsansätze in Frage, indem es einen Weg zur Modernisierung kritischer Energieinfrastruktur und zur Unterstützung des wachsenden Energiebedarfs bietet.

Auf Geräteebene setzt es neue Maßstäbe für Haltbarkeit und Leistung.Die Lebensdaueranalyse des intrinsischen zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchs (TDDB) prognostiziert einen Betrieb von 158.000 Jahren bei einer kontinuierlichen Gate-Vorspannung von 20 V.Es ist außerdem der erste 10-kV-SiC-MOSFET, der bipolare Degradation bekämpft und gleichzeitig eine zuverlässige Leistung, einschließlich Body-Diode-Betrieb, aufrechterhält – eine wichtige Anforderung für Mittelspannungs-USV-Systeme, Windkraft und Festkörpertransformatoranwendungen.

Die höhere Spannungsfähigkeit wirkt sich direkt auf das Systemdesign aus.Es ermöglicht architektonische Freiheiten, die früher nicht möglich waren, und ermöglicht die Vereinfachung von Energieumwandlungssystemen.Mehrzellendesigns können zu weniger Zellen kombiniert werden, und Wechselrichtertopologien mit drei Ebenen können zu Designs mit zwei Ebenen übergehen.Diese Änderungen können die Gesamtsystemkosten um etwa 30 % senken.

Die Schaltleistung verbessert auch die Systemeffizienz und -größe.Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz von 600 Hz auf 10.000 Hz kann die Leistungsdichte um mehr als 300 % verbessert werden.Dies reduziert die Größe der Magnetelemente und vereinfacht die Steuer- und Gate-Treiberschaltungen.

Auch die thermische Leistung wird auf Systemebene verbessert.Mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 99 % kann der Wärmebedarf um bis zu 50 % reduziert werden, was einfachere Kühllösungen im Vergleich zu IGBT-basierten Systemen ermöglicht.

Bei gepulsten Leistungsanwendungen führt das Gerät eine Abkehr vom mechanischen Schalten ein.Mit einer Anstiegszeit von weniger als 10 ns kann es mechanische Funkenstreckenschalter ersetzen, die aufgrund von Lichtbögen bei hohem Strom und hoher Temperatur beschädigt werden.Das Festkörperschalten mit SiC-MOSFETs verhindert Lichtbögen, verbessert die Effizienz der Energieübertragung und sorgt für eine bessere Zeitsteuerung.

Dies reduziert auch die Systemgröße und -komplexität in Anwendungen wie Geothermiesystemen, Stromversorgungen für KI-Rechenzentren, Halbleiter-Plasmaätzen und Düngemittelproduktion.