Vorteile von Siliziumkarbid-Transistoren in Leistungselektronik-Anwendungen

Siliziumkarbid-Transistoren haben sich in der Leistungselektronik, wo Halbleiterbauelemente für höhere Spannungen benötigt werden, schnell durchgesetzt, da sie aufgrund mehrerer Schlüsseleigenschaften ein Leistungsniveau bieten, das mit Bauelementen aus anderen Materialien nicht erreicht werden kann.

Siliciumcarbid ist ein starkes Material mit Halbleitereigenschaften mit großer Bandlücke. Es entsteht aus der Kombination von Silizium und Kohlenstoff mit starken kovalenten Bindungen, die diese robuste Substanz bilden.

Hohe elektrische Durchschlagsfeldstärke

Siliziumkarbid ist ein Verbindungshalbleitermaterial mit einer höheren elektrischen Feldstärke als Silizium. Dadurch kann es unter Bedingungen arbeiten, unter denen andere Halbleitermaterialien nicht funktionieren, was es zu einem attraktiven Kandidaten für Anwendungen in der Leistungselektronik macht.

Reines Siliziumkarbid ist zwar ein elektrischer Isolator, kann aber durch die kontrollierte Zugabe von Verunreinigungen wie Aluminium, Bor und Gallium-Dotierstoffen, die die für die Herstellung der Bauelemente erforderlichen P- und N-Bereiche schaffen, elektrisch leitend gemacht werden. Infolgedessen weisen diese Bauelemente einen größeren Betriebsspannungsbereich auf als ihre herkömmlichen IGBTs und bipolaren Transistoren.

Siliziumkarbid verfügt nicht nur über eine hohe Spannungsfähigkeit, sondern auch über einen weiten Betriebstemperaturbereich und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, so dass es sich für Hochtemperaturschaltanwendungen eignet. Außerdem weist Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium eine dreimal breitere Bandlücke auf, was zu einer geringeren Ladungsträgerkonzentration und einer besseren Schaltleistung führt.

SiC-MOSFETs unterscheiden sich erheblich von ihren Silizium-Gegenstücken, da sie einen geringeren Einschaltwiderstand und geringere Schaltverluste aufweisen und gleichzeitig hocheffizient sind. Sie bieten schnellere Reaktionszeiten und Ersatzmöglichkeiten in verschiedenen Anwendungen der Leistungselektronik. Sie können IGBTs und Standard-Leistungs-MOSFETs in Hochfrequenzanwendungen ersetzen und gleichzeitig höhere Transienten bewältigen, die sonst Schäden verursachen würden.

Betrieb bei hohen Temperaturen

Dank der großen Bandlücke von Siliziumkarbid-Transistoren können sie höheren Betriebstemperaturen standhalten als ihre Silizium-Gegenstücke, da sie die Elektronen gut kanalisieren können. Hohe Temperaturen würden andernfalls Elektronen aus dem Leitungsband verdrängen und Ströme verursachen, die logische Operationen stören - ein Problem, das bei der breiten Bandlücke von Siliziumkarbid, das die Elektronen effizienter als in Siliziumtransistoren bewegt, nicht auftritt.

Forscher der Case Western Reserve University führten kürzlich ein beeindruckendes Experiment durch, bei dem Siliziumkarbid-MOSFETs mehr als 105 Stunden lang in einem extrem heißen Ofen bei Temperaturen von fast 550 Grad Celsius betrieben wurden - eine Temperatur, die weit über den Mindestanforderungen für den Betrieb in den meisten Anwendungen der Leistungselektronik liegt.

Die Forscher schufen einen MOSFET mit einer N-Drift-Schicht, einem N+-Source-Bereich, einem Trench-Gate, Metalldrain und Versorgungselektroden sowie einem N+-Source-Bereich; diese Konfiguration wird oft als planares DMOS-Bauelement bezeichnet. Anschließend testeten sie eine negativ flankengetriggerte D-Flip-Flop-Schaltung, die negative Transienten aus einem Wechselstromsignal erkennt und mit positiven Transienten vergleicht, um eine negativ flankengetriggerte D-Flip-Flop-Schaltung zu schaffen, die negative Transienten gemessen an positiven Transienten in Echtzeit erfasst.

Sie stellten fest, dass der Chip unter extremen Bedingungen außerordentlich gut funktionierte, wobei nur ein Bit nach 95 Stunden Betrieb bei 470 °C ausfiel. Dies deutet darauf hin, dass der Chip in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden könnte, die hohe Temperaturen erfordern, z. B. in Ladegeräten für Elektrofahrzeuge und in Geräten, die bei hohen Temperaturen arbeiten.

Geringe Schaltverluste

Bauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) werden in wichtigen Anwendungen der Leistungselektronik immer beliebter. Dazu gehören Wechselrichter, die Solarstrom in Gleichstrom umwandeln, industrielle Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler für die Stromspeicherung und Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. Dieser Trend ist auf die Fähigkeit von SiC-Bauelementen zurückzuführen, höhere Spannungen mit geringeren Verlusten zu verarbeiten als ihre Gegenstücke aus herkömmlichen Silizium-Halbleitern, wodurch die Effizienz von Stromumwandlungssystemen erheblich gesteigert wird.

Reines SiC ist ein Isolator, aber wenn es mit Verunreinigungen wie Aluminium, Gallium oder Bor dotiert ist, wird es elektrisch leitend und kann Strom leichter leiten. Diese Dotierungen können dann auf Siliziumsubstrate aufgewachsen werden, um Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (SiC MOSFET) herzustellen.

Die hohe elektrische Feldstärke von SiC-MOSFETs macht sie ideal für hart schaltende Topologien wie LLC und ZVS, bei denen die Bauelemente bei hohen Frequenzen ein- und ausgeschaltet werden. Darüber hinaus zeichnen sich SiC-MOSFETs durch geringe Schaltverluste aus, die es den Entwicklern ermöglichen, die Größe von Kondensatoren und Induktoren in ihren Designs zu reduzieren und gleichzeitig die Gesamtsystemkosten zu senken. Außerdem trägt der Betrieb bei höheren Temperaturen dazu bei, die Verlustleistung zu minimieren und die Systemeffizienz zu erhöhen.

Lange Lebensdauer

Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) zeichnen sich durch ihre herausragende Langlebigkeit aus, da sie höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen standhalten können als Halbleiter auf Siliziumbasis, die unter bestimmten Umständen oft vorzeitig ausfallen. Dadurch eignen sich diese robusten Bauelemente ideal für harte und resonante Schalttopologien wie LLC und ZVS sowie für andere Hochleistungsschaltungen, da sie niedrige Durchlassverluste und eine effiziente Energieumwandlung aufweisen. Dies macht SiC-Bauelemente sehr begehrt.

Aufgrund seiner einzigartigen Atomstruktur verhält sich SiC wie ein alternierendes Halbleitermaterial, dessen Bandlücke fast dreimal so groß ist wie die herkömmlicher Silizium-Halbleiter, was zu Materialien mit großer Bandlücke wie SiC führt.

SiC zeichnet sich durch seine thermische Leitfähigkeit und kurze Kühlwege aus, was insgesamt zu weniger Leistungsverlusten führt. Darüber hinaus ermöglicht seine hohe Durchbruchspannung den Entwicklern, die Bauelemente zu verkleinern, ohne dass die Leistung oder Zuverlässigkeit darunter leidet.

Während herkömmliche Silizium-Bauelemente nach wie vor der Industriestandard für die Leistungselektronik sind, veranlassen der zunehmende Druck seitens der Regierungen in Bezug auf geringere Emissionen und die steigende Beliebtheit von Elektrofahrzeugen die Unternehmen dazu, andere Materialien wie SiC und GaN zu erforschen, die bessere Eigenschaften aufweisen und diese in verschiedenen Komponenten eines Elektrofahrzeugs ersetzen könnten.