Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid

Siliziumkarbid (SiC), ein Halbleitermaterial mit extrem breiter Bandlücke, erfreut sich zunehmender Beliebtheit als industrielles Bauteil für Spannungswandler. SiC kann höheren Temperaturen und Spannungen standhalten als Silizium. Der deutsche Hersteller Danfoss betreibt ein SiC-Kompetenzzentrum, das aus Büros und einem 600 m2 großen Labor besteht, das sich der Entwicklung und Prüfung von Leistungshalbleitern widmet.

SPT-Tests verglichen die Schalteigenschaften von SiC-IGBTs mit denen herkömmlicher Si-IGBTs und zeigten, dass SiC-IGBTs die Effizienz und das Hartschaltverhalten verbessern können.

Effizienz

MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) weisen geringere Schaltverluste auf als ihre Gegenstücke aus Silizium (Si), was zu einem höheren Wirkungsgrad und geringeren Wärmeverlusten führt. Außerdem können SiC-Bauelemente im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Bauelementen bei höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden, was sie zur perfekten Wahl für industrielle Stromrichter macht.

SiC-IGBTs sind Transistoren, die mit der IGBT-Technologie (Insulated Gate Bipolar Transistor) hergestellt werden und eine hohe Eingangsimpedanz und Stromdichte aufweisen - ideale Eigenschaften für Hochfrequenz-Leistungswandler. Darüber hinaus verringert ihr im Vergleich zu Silizium-MOSFETs geringerer RDS(ON)-Spannungsabfall die parasitären Verluste und erhöht die Schaltleistung, wodurch sich die Leistung erheblich verbessert.

SiC-IGBTs übertrafen die herkömmlichen Silizium-Leistungschips, da sie mit der doppelten Schaltgeschwindigkeit bei viel niedrigeren Strömen schalten können, was einen schnelleren und effizienteren Betrieb des Wechselrichters ermöglicht und die Größe der Kondensatoren verringert; dies spart sowohl Platz als auch Gewicht innerhalb eines Wechselrichters - besonders wichtig bei der Stromversorgung von Bodenstromstationen in Flugzeugen.

Danfoss hat ein Siliziumkarbid-Leistungsmodul für Gleichstrom-Wechselstrom-Motorantriebe vorgestellt, das maximale Effizienz und Zuverlässigkeit für Anwendungen wie Elektromobilität, Solarwechselrichter und andere Anwendungen bieten soll. Das Modul besteht aus hochwertigen SiC-Leistungshalbleitern, die den Strom effizienter leiten als ihre konventionellen Gegenstücke. Dies trägt dazu bei, die Energiekosten zu senken, die Größe von Wechselrichtern zu reduzieren und kostspielige Kühlsysteme ganz zu vermeiden.

Schalteigenschaften

Siliciumcarbid (SiC) ist ein Verbindungshalbleiter mit breiter Bandlücke, der bei hohen Temperaturen und Spannungen arbeiten kann. Eine n-Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor und eine p-Dotierung mit Beryllium, Bor, Aluminium oder Gallium können je nach Dotierungsart entweder p- oder n-Eigenschaften bewirken; Beryllium kann z. B. auch als Dotierstoff in harten Schaltanwendungen eingesetzt werden. Das deutsche Unternehmen Semikron Danfoss führte Tests durch, bei denen die Schalteigenschaften von SiC-Leistungsschaltern mit denen herkömmlicher bipolarer Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verglichen wurden.

Das Forschungsteam nutzte ein Standard-Testsystem zur Bewertung der Effizienz und des detaillierten Hard-Switching-Verhaltens von SiC-IGBT-Modulen und testete sowohl auf Einzelpulstests basierende Systeme als auch dreiphasige Systeme. Bei Einzelpulstests wurde ein Wirkungsgrad von mindestens 77% beobachtet, während bei AGPU-Systemen mit sechs Schaltern ein Wirkungsgrad von bis zu 92% erreicht werden konnte.

Hybride Leistungsschalter kombinieren die Vorteile von unipolaren und bipolaren Bauelementen, um die Effizienz in Hochspannungsanwendungen zu erhöhen. Sie zeichnen sich durch eine niedrige Transkonduktanz aus und können die gleiche Spannung bei höheren Frequenzen als IGBTs schalten, was die Gesamtverluste in Systemen reduziert. Dadurch sind Hybridschalter eine hervorragende Lösung für AC-DC-Wandler mit begrenztem Platzangebot und weniger Peripheriekomponenten; ihre geringere Größe führt zu geringeren Energieverlusten, geringerem Gewicht, geringeren Anforderungen an das Kondensatorvolumen und geringeren Netzwerkverlusten und ermöglicht den Einsatz in einer größeren Bandbreite von Anwendungen als IGBTs allein.

Kosten

Siliziumkarbid (SiC) hat sich schnell als attraktive Halbleiterlösung mit breiter Bandlücke für die Leistungselektronik in Anwendungen des 21. Jahrhunderts herauskristallisiert und bietet im Vergleich zu siliziumbasierten Bauelementen überzeugende Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer sowie viele weitere Vorteile, darunter ein dünneres Bauelement mit gleicher Durchbruchspannung, das einen geringeren Widerstand pro Flächeneinheit bietet.

Die geringeren Volumina der passiven Komponenten von SiC ermöglichen kleinere Systeme in Bezug auf Größe und Gewicht, mit geringeren Energieverlusten, verbessertem Wirkungsgrad, erhöhter Zuverlässigkeit und deutlich geringeren Anforderungen an Größe und Gewicht des Systems. SiC-MOSFETs haben sich bei Wechselrichteranwendungen für Elektrofahrzeuge (EV) schnell durchgesetzt und eine signifikante Marktdurchdringung erreicht. Darüber hinaus sind sie zunehmend als Bare-Die-Bauelemente erhältlich, was den Herstellern die Möglichkeit gibt, kundenspezifische Wechselrichtermodule zu entwickeln.

Die hohen Schaltfrequenzen und geringen Leistungsverluste von SiC ermöglichen eine höhere Energiedichte des Systems. Um diesen Vorteil zu maximieren, müssen jedoch neben der Schaltfrequenz/Wirkungsgrad-Balance der Wandler auch die Volumina der Filter und Kühlkörper berücksichtigt werden, um diese Volumina zu optimieren.

Die Kosten für das SiC-Substrat sind nach wie vor der Haupttreiber der Gesamtkosten und überwiegen die Beiträge von Epitaxie, Herstellung und Ertrag. Hybridmodule wie CoolSiC können jedoch dazu beitragen, diese Lücke zu schließen, indem sie IGBTs mit SiC-Dioden kombinieren.