Siliziumkarbid und seine Anwendungen

Siliziumkarbid oder SiC findet sich in verschiedenen elektronischen Geräten, von Dioden bis zu MOSFETs. Diese Bauteile bieten eine bessere Leistung als ihre Siliziumpendants.

Halbleiter-IGBTs mit breiter Bandlücke aus Siliziumkarbid bieten viele Vorteile gegenüber ihren herkömmlichen IGBTs, und in diesem Artikel werden wir sie als Hochspannungslösung genauer unter die Lupe nehmen.

Kosten

Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) weisen gegenüber ihren Silizium-Gegenstücken mehrere Vorteile auf, darunter eine höhere Sperrspannung, einen geringeren Durchlasswiderstand und eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften können SiC-MOSFETs mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten, was zu einer geringeren Baugröße, geringeren Kosten und einem verbesserten Wirkungsgrad führt und sie für Hochspannungsanwendungen wie Wechselrichter für Elektrofahrzeuge oder Stromversorgungen für Rechenzentren geeignet macht.

SiC wird durch einen ersten Schritt des Kristallwachstums in einem Elektroofen hergestellt, ähnlich wie bei der Herstellung von Diamanten. Der größte Teil des SiC wird aus Moissanit gewonnen, der in Meteoriten, Korundvorkommen und Kimberlitminen gefunden wird, aber auch einige kleine Mengen können in Labors synthetisch hergestellt werden.

Siliziumkarbid bietet einen weiteren Vorteil gegenüber Silizium: eine geringere Temperaturvolatilität. Während sich der RDSon-Wert von MOSFETs auf Si-Basis über einen bestimmten Temperaturbereich um mehr als eine Größenordnung ändern kann, variiert er bei SiC-MOSFETs im Laufe der Zeit in der Regel nur um einen Bruchteil, was einen effizienteren Betrieb bei hohen Temperaturen ermöglicht, ohne dass teure Kühllösungen erforderlich sind.

Der globale Markt für Siliziumkarbid-MOSFETs wird aufgrund der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeugen bis 2022 voraussichtlich $4 Milliarden erreichen. Der asiatisch-pazifische Raum ist aufgrund staatlicher Anreize zur Förderung der Nutzung von Elektrofahrzeugen und Photovoltaikanlagen derzeit führend in dieser Branche.

Effizienz

Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid haben sich zum neuen Goldstandard der Hochleistungsleistungselektronik entwickelt. Sie werden in vielen Anwendungen eingesetzt, z. B. als DC/DC-Wandler in Energy Harvestern und EV-Traktionswechselrichtern. Im Vergleich zu ihren Silizium-Halbleiter-Pendants bieten diese Bauelemente einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Leistungsdichte und geringere Energieverluste, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl für Anwendungen macht, die hohe Spannungen erfordern, z. B. Wind- oder Solargeneratoren und Rechenzentren.

Siliciumcarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, das entweder als Pulver oder in Kristallform hergestellt wird. Siliciumcarbid, das in der Natur als Moissanit-Edelstein vorkommt, kann auch als harte chemische Verbindung in Massenproduktion hergestellt werden, um als Schleifmittel und Keramikplatten in kugelsicheren Westen verwendet zu werden; es wird auch als Schmiermittel und in der Karborundum-Drucktechnik eingesetzt - eine alte Kunst, bei der körnige Oberflächen verwendet werden - usw.

Hersteller von Leistungswandlern waren früher gezwungen, bei der Entwicklung ihrer Bauelemente zwischen Gate-Komplexität und Leistung zu wählen. Dank der Siliziumkarbid-MOSFETs können sie nun Hochleistungsbauelemente entwickeln, ohne bei der Gate-Komplexität Kompromisse eingehen zu müssen - was dazu führt, dass sie Leistungsmodule entwickeln können, die bis zu einem Drittel kleiner sind und 50% geringere Induktions- und Spannungsverluste aufweisen als ihre Silizium-Gegenstücke. Sie können sogar mit bis zu 72 KHz schalten, was sowohl Kosten als auch Platz in Ansteuerungsschaltungen spart.

Sicherheit

Siliciumcarbid (auch Karborundum genannt) ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke, der erstmals 1893 als Pulver und Kristall zur Verwendung als Schleifmittel kommerziell hergestellt wurde. Heute wird es auch zur Herstellung von harten und zähen Keramiken verwendet, die in Autobremsen und -kupplungen sowie in kugelsicheren Westen zum Einsatz kommen, und es sorgt für die Wärmeleitfähigkeit, die für die Herstellung von Spiegeln in Teleskopen wie den Weltraumteleskopen Herschel und Gaia erforderlich ist.

Siliziumkarbid-IGBTs können aufgrund ihres extrem hohen UVLO-Werts höhere Fehlerströme verkraften als Standard-IGBTs und -MOSFETs, so dass sie auch unter anormalen Schaltkreisbedingungen, die normalerweise zu einer Überhitzung oder einem katastrophalen Ausfall anderer Bauelemente führen würden, normal weiterarbeiten können.

Anwendungen

Siliciumcarbid ist ein außerordentlich vielseitiges Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, das in einer Reihe von elektronischen Geräten verwendet wird. Von Leistungshalbleitern und Wandlern bis hin zu Lasern erstreckt sich seine Vielseitigkeit über viele elektronische Anwendungen. Dank seiner hohen kritischen Durchschlagsfestigkeit und seiner Betriebstemperatur eignet sich Siliciumcarbid hervorragend für Anwendungen, die sehr hohe Leistungsdichten erfordern. Darüber hinaus ermöglichen seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften die Herstellung großer Scheiben, die sich für astronomische Teleskopspiegel eignen.

IGBTs aus Siliziumkarbid können den Wirkungsgrad durch geringere Schaltverluste erhöhen. Sie sind auch für den Betrieb bei höheren Temperaturen als ihre Silizium-Gegenstücke ausgelegt, wodurch sie sich für Elektrofahrzeuge und andere Hochspannungsanwendungen eignen. Darüber hinaus können IGBTs aus Siliziumkarbid im Vergleich zu herkömmlichen IGBTs stärkeren Transienten standhalten und sind dadurch widerstandsfähiger gegen Kurzschlussschäden.

In dieser Studie wurden SiC-IGBTs und herkömmliche IGBTs in zwei Wechselrichtern verglichen, die auf modularen Halbbrücken basieren und mit einer Zwischenkreisspannung von 800 V arbeiten. Die Ergebnisse zeigten, dass SiC-IGBTs sowohl in dreiphasigen als auch in einphasigen Versuchssystemen die traditionellen IGBTs übertrafen. Ihre Schaltzeiten (Spannungsanstiegszeit und Stromabfallzeit) und Überschwingstrommessungen wurden mit einem tragbaren Multifunktionsoszilloskop von MICsig sowie mit Hantek UT201-Zangenmessgeräten durchgeführt.

SiC-IGBT wurde auch im Hinblick auf seine Ausschaltverzögerungszeit bewertet, ein wesentlicher Parameter zur Bestimmung der Dauer der Ausschalttransiente. Bei diesem Experiment war die Ausschaltverzögerungszeit deutlich geringer als bei IGBT-Bauteilen.