4 Faktoren bei der Wahl zwischen IGBT-, SiC- und GaN-Bauelementen

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Auswahl des richtigen Bauteils wird einfacher, wenn Sie vor dem Vergleich verschiedener Bauteilfamilien die Schaltfrequenz, die Spannungsklasse, die Anforderungen an die Gate-Ansteuerung und die Wärmeentwicklung nach Priorität ordnen.
• IGBT, SiC und GaN eignen sich jeweils nur für einen begrenzten Bereich von Umrichterbedingungen, und eine falsche Auswahl macht sich in der Regel zuerst bei der Kühlung, den passiven Bauteilen oder dem Schutzzeitablauf bemerkbar.
• Eine Simulation unter Berücksichtigung verschiedener Geräte- und Topologieoptionen bietet Ihnen eine fundiertere Entscheidungsgrundlage als ein reiner Vergleich der Datenblätter.

Die Auswahl des besten Schaltelements für Ihren Wandler richtet sich nach vier Systemgrenzen: Schaltfrequenz, Spannungsklasse, Gate-Ansteuerungsverhalten und Wärmeentwicklung.

Der weltweite Absatz von Elektroautos hat im Jahr 2024 die 17-Millionen-Marke überschritten, sodass jeder Effizienzpunkt in einem Wechselrichter oder Ladegerät nun über alle Fahrzeugplattformen hinweg an Bedeutung gewinnt. Dieser Druck hat dazu geführt, dass die Auswahl der Komponenten nicht mehr nur eine Frage der Einzelteile, sondern eine Systemfrage ist. Eine zuverlässige Antwort lässt sich nicht allein anhand einer Rangliste in Datenblättern finden, da die optimale Lösung davon abhängt, wie Schaltverluste, Regelbandbreite, Kühlung und Bauform innerhalb Ihres Wandlers zusammenwirken. Wenn Sie zunächst diese vier Grenzwerte als Auswahlkriterien festlegen, wird die Entscheidung zwischen IGBT, SiC und GaN deutlich klarer.

Bei der Konvertierung sollte zunächst die richtige Gerätefamilie festgelegt werden

Beginnen Sie mit den Anforderungen an den Wandler, denn die Eigenschaften der Bauelemente richten sich eher nach den elektrischen Belastungen als nach Ihren Präferenzen. Wenn Ihr Wandler die Grenzwerte hinsichtlich Schaltfrequenz, Spannung, Wärmeentwicklung oder Kosten nicht einhält, ist die Auswahl an Bauelementen bereits eingeschränkt. Anhand der Systemvorgaben erhalten Sie eine bessere Antwort als anhand einer einzelnen Bauteiletabelle. Dieser Ansatz verhindert, dass Sie sich auf reine Kennzahlen konzentrieren, die im gesamten Designprozess nicht Bestand haben.

Ein Antriebsumrichter, der mit einem 800-V-Akku bei 10 kHz betrieben wird, erfordert eine ganz andere Schaltung als eine 48-V-Serverstromversorgung, die im Bereich von mehreren hundert Kilohertz arbeitet. Diese Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an Frequenz, Stromstärke und parasitäre Effekte. Ein guter erster Schritt besteht darin, fünf Projektziele festzulegen, bevor Sie Bauteilfamilien vergleichen. So bleibt die Auswahl an die Funktion des Umrichters gebunden.

• Ihre Schaltfrequenz bestimmt die zulässigen Schaltverluste.
• Ihre Busspannung schränkt die Auswahl an geeigneten Geräten ein.
• Ihr Strom- und Überlastprofil bestimmt die Höhe der Leitungsverluste.
• Ihre Kühlmethode schränkt die Wärmeabgabe ein.
• Anhand Ihrer Größen- und Kostengrenzen lässt sich feststellen, ob kleinere passive Bauelemente den Preis des Bauteils rechtfertigen.

Sobald diese Ziele feststehen, schrumpft die Auswahlliste schnell. Man fragt sich nicht mehr, welches Gerät generell das beste ist. Man fragt sich, welches Gerät die eigenen Anforderungen mit den geringsten Kompromissen erfüllt. Das ist die entscheidende Frage, wenn man IGBT, SiC und GaN miteinander vergleicht.

Verwenden Sie IGBTs, wenn bei hoher Leistung nur ein geringer Schaltbedarf besteht

IGBTs eignen sich für Umrichter, die bei moderater Schaltfrequenz hohe Ströme führen und größere magnetische Bauteile vertragen. Sie sind nach wie vor eine gute Wahl für Motorantriebe und Netzumrichter, bei denen die Sammelschienenspannung hoch ist und sehr schnelle Flanken kaum einen Mehrwert bieten. Hier spielen die Kosten pro Kilowatt nach wie vor eine wichtige Rolle. Außerdem halten sie auch anspruchsvolle Einschaltzyklen gut stand.

Ein typisches Beispiel ist ein 690-V-Industriemotorantrieb, der mit Frequenzen von 2 kHz bis 8 kHz schaltet. Der Regelkreis erfordert keine besonders hohen Vorteil , und der Umrichter lässt sich mit einem größeren Filter und Kühlkörper ausstatten. Große Windkraft-Umrichterstufen und Megawatt-Motorantriebe folgen dem gleichen Muster. Bei diesen Systemen legen die Anwender Wert auf robuste Module, bewährtes Schutzverhalten und ein vertrautes thermisches Design.

Der Kompromiss ist klar. Die Schaltverluste der IGBTs steigen mit zunehmender Frequenz rapide an, sodass Versuche, die magnetischen Bauteile bei höherer Schaltgeschwindigkeit zu verkleinern, in der Regel zu Einbußen bei Wirkungsgrad und Kühlung führen. Auch der Nachstrom beim Ausschalten schränkt ein, wie hoch die Frequenz gesteigert werden kann. Wenn Ihr Umrichter bei Frequenzen deutlich unter etwa 20 kHz gut funktioniert und ausreichend Platz für passive Bauteile und die Kühlung vorhanden ist, sind IGBTs nach wie vor eine sinnvolle Wahl und keineswegs veraltet.

Verwenden Sie SiC, wenn Schaltverluste die Effizienzziele beeinträchtigen

SiC ist die richtige Wahl, wenn Schaltverluste bei Siliziumbauelementen Ihren Wirkungsgrad beeinträchtigen oder Ihr Kühlbudget übersteigen. Es wird zur besseren Lösung, sobald die Spannung über 600 V steigt und die Frequenz erhöht werden muss, ohne die Strombelastbarkeit zu beeinträchtigen. Diese Umstellung beginnt oft dort, wo eine IGBT-Stufe zu heiß läuft. Die thermische Reserve ist in der Regel das erste Warnzeichen.

Ein 800-V-Elektroantrieb ist ein anschauliches Beispiel dafür. Mit SiC lassen sich die Schaltfrequenz erhöhen, die Verluste im Wechselrichter verringern und gleichzeitig der Kühlbedarf senken. Solarstrangwechselrichter und Hochleistungsladegeräte weisen das gleiche Muster auf, insbesondere bei 1200 V und darüber. Diese Systeme profitieren zudem oft von kleineren Magnetkomponenten und einem besseren Teillastwirkungsgrad.

SiC ist kein kostenloses Upgrade. Schnellere Spannungsübergänge erhöhen das Gleichtaktrauschen, die Abstimmung der Gate-Ansteuerung wird anspruchsvoller, und die Layout-Induktivität spielt eine größere Rolle als bei der IGBT-Version. Auch die Kurzschluss-Durchhaltezeit ist in der Regel knapper bemessen, sodass Schutzschaltungen präzise reagieren müssen. Wenn Ihr aktuelles IGBT-Design die Vorgaben hinsichtlich Größe, Wärmeentwicklung und Wirkungsgrad bereits erfüllt, bietet SiC keinen ausreichenden Mehrwert, um die zusätzlichen Kosten für Bauelemente und Entwicklung zu rechtfertigen.

Verwenden Sie GaN, wenn Frequenzdichteziele im Vordergrund stehen

GaN eignet sich für Wandler, bei denen eine sehr hohe Schaltfrequenz, ein geringer Ladungsbedarf und kleine passive Bauteile im Vordergrund stehen. Seine größten Stärken liegen in Niederspannungsstufen, in denen Leistungsdichte und Transientenverhalten wichtiger sind als die Überlastsicherheit. Daher kommt GaN in Server-Netzteilen und kompakten Ladegeräten zum Einsatz. Sie sollten sich dafür entscheiden, wenn kleinere magnetische Bauteile eindeutig von Bedeutung sind.

Eine „Totempfahl“-Stufe zur Leistungsfaktorkorrektur für ein Server-Netzteil verdeutlicht, warum das so ist. GaN kann viel schneller schalten als ein IGBT und oft auch schneller als ein praxistaugliches SiC-Design bei gleichem Niederspannungsknoten, was den Bedarf an magnetischen Bauteilen reduziert und das dynamische Ansprechverhalten verbessert. US-Rechenzentren verbrauchten im Jahr 2023 etwa 4,4 % des nationalen Stromverbrauchs und könnten bis 2028 einen Anteil von 6,7 % bis 12 % erreichen, was den Wert jeder Verlustreduzierung in Hochfrequenz-Stromversorgungen erhöht.

Die Grenzen sind genauso wichtig wie die Stärken. Layout, Totzeit und Schwingungsdämpfung müssen sorgfältig berücksichtigt werden, da die Geschwindigkeit von GaN jeden Fehler bei der Streuinduktivität offenbart. Auch die Stromskalierung bei hoher Spannung ist weniger tolerant als bei den besten SiC-Modulen. Wenn Ihr Wandler unter 650 V arbeitet und jeder Kubikzentimeter zählt, sollten Sie GaN ernsthaft in Betracht ziehen. Wenn Spannung und Stoßspannungsreserve im Vordergrund stehen, bietet SiC in der Regel mehr Spielraum.

Die Spannungsklasse schränkt die Auswahl an Geräten sehr schnell ein

Die Spannungsklasse schließt viele Geräteoptionen aus, noch bevor feinere Abwägungen eine Rolle spielen. GaN dominiert unterhalb von 650 V, SiC deckt einen Großteil des Bereichs von 650 V bis zu mehreren Kilovolt ab, und IGBTs bleiben in Hochleistungsmodulen relevant, bei denen die Schaltgeschwindigkeit weniger wichtig ist als die Strombelastbarkeit und die Kosten pro Kilowatt. Sie sparen Zeit, wenn Sie die Auswahlliste zunächst nach der Busspannung sortieren. So werden unrealistische Optionen von vornherein ausgeschlossen.

Ein 400-V-Bus allein klärt die Frage zwar nicht, gibt aber den Rahmen vor. Ein kompaktes Ladegerät mit 400 V tendiert in die eine Richtung, während ein robuster Industriekonverter bei derselben Bus-Spannung in eine andere Richtung tendieren kann. Die Spannungsklasse ist der schnellste Weg, um ungeeignete Lösungen auszusortieren, bevor man Zeit mit den Feinheiten der Gate-Ansteuerung und der thermischen Eigenschaften verbringt. Deshalb prüfen starke Teams zunächst die Spannung und vergleichen dann die verbleibenden Kompromisse.

Die Komplexität der Gate-Ansteuerung kann die Vorteile des Papiers zunichte machen

Das Gate-Ansteuerungsverhalten kann den theoretischen Vorteil eines Bauelements zunichte machen, sobald das Design in die Testphase geht. Schnellere Bauelemente schalten nur dann sauber, wenn Totzeit, Miller-Steuerung, Schleifeninduktivität und Schutzzeitabläufe auf das Gehäuse und das Layout abgestimmt sind. Wenn Sie den Aufwand für die Gate-Ansteuerung unterschätzen, können SiC oder GaN Zeit kosten, anstatt sie zu sparen. Sie sollten die Gate-Schleife als Teil der Halbleiterauswahl betrachten.

Eine GaN-Halbbrücke, die in der Simulation hervorragend abschneidet, kann stark schwingen, wenn die Kommutierungsschleife zu locker ist oder das Treiber-Timing zu allgemein gehalten ist. Bei steigender Vorteil treten schnell Probleme wie Fehlzuschaltungen, Überschwingen und EMI auf. SiC hat seine eigenen Tücken, darunter Kompromisse beim Gate-Widerstand und Schutzfenster, die weniger Spielraum für langsame Reaktionen lassen. IGBT-Stufen sind in dieser Hinsicht in der Regel toleranter, was ein Grund dafür ist, dass sie in konservativen Hochleistungsanwendungen nach wie vor weit verbreitet sind.

Die Ausführung ist entscheidend, bevor das Layout festgelegt wird. Mit OPAL-RT können Teams SiC- und GaN-Zweige innerhalb desselben Wandlermodells austauschen und die Empfindlichkeit gegenüber Totzeiten, das Fehlerverhalten sowie das Zusammenspiel mit dem Regler testen, bevor die Leistungsstufe endgültig festgelegt wird. Eine solche Überprüfung ist wichtig, da ein Bauelement, das in einem Verlustdiagramm am besten abschneidet, seinen Vorteil verlieren kann, Vorteil die Gate-Schleife und das Schutzkonzept einbezogen werden. Wenn Ihr Team nur begrenzt Zeit für hardware hat, sollte dem Risiko der Gate-Ansteuerung mehr Gewicht beigemessen werden als dem reinen Schaltwert.

„Wenn man die Arbeit am Gate-Drive unterschätzt, können SiC oder GaN Zeit kosten, anstatt sie zu sparen.“

Die thermische Auslegung bestimmt die tatsächlichen Systemkosten

Die thermische Auslegung bestimmt die Kosten des gesamten Wandlers, nicht nur die des Schaltelements. Ein Bauteil mit einem höheren Stückpreis kann dennoch die Gesamtkosten senken, wenn dadurch der Kühlkörper verkleinert, die Frequenz so weit erhöht wird, dass weniger magnetische Komponenten benötigt werden, oder der Luftstrom sowie der Bedarf an Flüssigkeitskühlung reduziert werden. Sie sollten die Kosten für den Wärmepfad und die passiven Bauteile zusammen mit denen des Halbleiters kalkulieren. Dort zeigen sich die tatsächlichen Kosten des Wandlers.

Ein 100-kW-Ladegerät verdeutlicht dies. SiC kann die Verlustleistung der Bauelemente so weit reduzieren, dass die Kühlplatte und die Belastung des Lüfters verringert werden können, was einen höheren Halbleiterpreis ausgleichen kann. Ein Hochfrequenz-Frontend kann zudem das magnetische Volumen verringern, obwohl die EMI-Filterung zunehmen könnte, wenn Vorteil zu stark erhöht werden. GaN kann einen ähnlichen Vorteil auf Systemebene in Niederspannungsstufen bieten, in denen Frequenz und Größe einen höheren Stellenwert haben als die Überlastfestigkeit.

Auch thermische Spielräume wirken sich auf die Zuverlässigkeit aus. Schwankungen der Sperrschichttemperatur, der Gehäusewiderstand und die Gleichmäßigkeit der Kühlung bestimmen, wie viel Belastung ein Wandler im täglichen Betriebszyklus verkraften kann. Wenn ein Bauteil zwar 1 % mehr Wirkungsgrad bietet, dafür aber ein engeres thermisches Betriebsfenster erfordert, kann die Validierung des gesamten Designs sowie die Wartung schwieriger werden. Die Kosten erscheinen nur dann einfach, wenn man den Preis des Bauteils isoliert betrachtet.

Echtzeit-Simulationen prüfen Kompromisse, bevor hardware festlegt hardware

Eine Simulation vor hardware liefert die eindeutigste Antwort, wenn IGBT, SiC und GaN auf dem Papier alle plausibel erscheinen. Sie können Schaltverluste, Regelbandbreite, thermische Belastung und Fehlerverhalten verschiedener Topologien vergleichen, bevor Layout und Beschaffung den Weg vorgeben. Diese Vorgehensweise macht die Auswahl der Bauelemente nicht mehr zu einer Vermutung, sondern zu einer fundierten technischen Entscheidung. Sie erkennen fehlerhafte Annahmen, solange deren Behebung noch kostengünstig ist.

Ein Team, das an einem Ladegerät arbeitet und zwischen einer zweistufigen SiC-Stufe und einem hochfrequenten GaN-Frontend wählen muss, benötigt nicht nur Effizienzwerte im stationären Betrieb. Das Team benötigt Angaben zu Stromwelligkeit, Reglerreserve, Kurzschlussverhalten und thermischer Verteilung unter denselben Betriebsbedingungen. OPAL-RT spielt hier eine wichtige Rolle, da Ingenieur:innen Bauteilmodelle austauschen Ingenieur:innen , ohne auf eine bestimmte Topologie festgelegt zu sein, und anschließend beobachten können, wie sich der Wandler unter identischen Testbedingungen verhält. Damit wird die Lücke zwischen einem Bauteilvergleich und einer Systembewertung geschlossen.

„Die meisten Probleme mit Geräten entstehen, wenn Teams ihre Auswahl anhand einer Teileliste treffen, bevor sie den Wandler als System validiert haben.“

Die meisten Fehlentscheidungen bei der Bauteilauswahl entstehen, wenn Teams aus einer Bauteilübersicht auswählen, bevor sie den Wandler als System validiert haben. Wenn Ihr Schaltziel, Ihre Spannungsklasse, das Gate-Drive-Verhalten und der Wärmepfad übereinstimmen, liegt die Wahl des richtigen Bauteils auf der Hand. Ist dies nicht der Fall, kann kein Versprechen aus dem Datenblatt das Design retten. Diese Einschätzung ist der entscheidende Unterschied zwischen einem schnellen Vergleich und einem Wandler, der sich im Praxistest bewährt.