ST SiC-Mosfet setzt neue Maßstäbe bei EV-Traktionswechselrichtern

Die STPower-Siliziumkarbid-MOSFET-Technologie von STMicroelectronics setzt neue Maßstäbe in Sachen Energieeffizienz, Leistungsdichte und Robustheit – insbesondere bei Traktionswechselrichtern für Elektrobusse.

Die Yole Group, ein Anbieter von Markt-, Technologie-, Entwicklungs- und Leistungsanalysen, und SERMA Technologies, ein Experte für Elektronikprüfungen, haben sich zusammengeschlossen, um fünf diskrete SiC-MOSFETs der 1200-V-Klasse der Hersteller Wolfspeed, ROHM, Infineon, STMicroelectronics und Anbonsemi unter identischen Testbedingungen zu analysieren und zu vergleichen.

Geringer Durchlasswiderstand pro Fläche

ST ist weltweit führend bei Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) und treibt die Innovation in diesem Bereich weiter voran, indem das Unternehmen die im Vergleich zu Siliziumbauelementen überlegene Effizienz und höhere Leistungsdichte dieser Bauelemente nutzt. Die neueste Generation dieser Bauelemente wurde speziell für den Einsatz in zukünftigen Antriebswechselrichter-Plattformen für Elektrofahrzeuge entwickelt, um eine weitere Verkleinerung und ein noch größeres Energiesparpotenzial zu ermöglichen.

Diese SiC-MOSFETs der nächsten Generation wurden speziell entwickelt, um auf einer kleineren Chipfläche einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand (RDS(on)) pro Fläche zu erzielen, was kompaktere Designs mit einer geringeren Bauteilanzahl und geringeren Kosten ermöglicht.

Ein niedrigerer RDS(on)-Wert pro Fläche im eingeschalteten Zustand ermöglicht es Entwicklern, energieeffizientere und kompaktere Systeme für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, die eine größere Reichweite, schnellere Ladezeiten und einen geringeren Energieverbrauch bieten. Darüber hinaus führt ein niedrigerer RDS(on)-Wert pro Fläche zu geringeren parasitären Kapazitäten, was ebenfalls zu einer höheren Energieeffizienz sowie zu einer kompakteren Bauweise des Systems beiträgt.

Die Lawinenfestigkeit von SiC-MOSFETs hängt von der maximalen Gate-Ansteuerspannung und der Gleichstrom-Bus-Spannung ab, doch unterscheidet sich der Mechanismus der Belastungsverschleißentwicklung erheblich vom Kurzschlussausfallmechanismus bei IGBTs; daher ist es für die Erstellung zuverlässiger Modelle unerlässlich, die zugrunde liegenden Phänomene zu verstehen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Vth und Rds(on) nach wiederholter Lawinenbelastung allmählich abnehmen, während parasitäre Kapazitäten wie Ciss, Coss und Crss bei wiederholter Überbeanspruchung zunehmen.

Hohe Leistungsdichte

ST-MOSFETs ermöglichen effizientere Designs in Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, wie beispielsweise Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, Server-Netzteile und Energiesysteme. Ihre höheren Schaltfrequenzen und geringeren parasitären Effekte wie elektromagnetische Störungen (EMI) tragen dazu bei, die Leistung und Zuverlässigkeit der Schaltungen zu steigern – dank eines deutlich geringeren Durchlasswiderstands pro Fläche und besserer Wärmemanagement-Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Leistungs-MOSFETs.

Die STPOWER-MOSFET-Technologie der vierten Generation von STMicroelectronics auf Siliziumkarbid (SiC)-Basis, ’Generation 4“, setzt neue Maßstäbe in Sachen Energieeffizienz und Leistungsdichte. Sie ist speziell auf den Einsatz in Traktionswechselrichtern – Schlüsselkomponenten in Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen – zugeschnitten und bietet kostengünstigere Ladeleistung sowie höhere Geschwindigkeiten für Premium-Modelle von Elektrofahrzeugen.

SiC-MOSFETs mit Nennspannungen von 650 und 1200 V zeichnen sich durch eines der niedrigsten RDS(on)-x-Flächen-Verhältnisse und Schaltverluste auf dem Markt aus. Dies ermöglicht kompaktere, effizientere und kostengünstigere Leistungswandler-Designs – mit höherer Energieeffizienz, geringeren Gesamtsystemkosten und verbesserter Zuverlässigkeit.

Diese Bauelemente verfügen über einen Nullspannungsschalter (ZVS), der einen zuverlässigen Betrieb ohne negative Vorspannung ermöglicht – wodurch kostspielige Gate-Treiberschaltungen entfallen und Einsparungen bei der Energieeffizienz und Leistungsdichte erzielt werden. Darüber hinaus steigern ihr geringerer Durchlasswiderstand und ihre schnelle Schaltgeschwindigkeit die Energieeffizienz und Leistungsdichte zusätzlich. Außerdem gibt ihr 7-jähriges Produktlebenszyklusprogramm Entwicklern die Gewissheit, dass diese langlebigen Bauelemente verfügbare und kostengünstige Lösungen darstellen.

Hohe Verlässlichkeit

STPOWER-Siliziumkarbid-MOSFETs bieten herausragende Effizienz, Zuverlässigkeit und Robustheit in Stromrichtern für Elektrofahrzeuge und anderen Anwendungen, die eine hohe Energieeffizienz, Leistungsdichte, schnelle Schaltzeiten oder Energieeinsparung erfordern. Erhältlich in verschiedenen hochmodernen Gehäusen wie HiP247, H2PAK-7 (TO-247 mit langen Anschlüssen) sowie TO-PAK- und STPAK-Gehäusen sind diese Bauelemente die perfekte Ergänzung für Wechselrichter oder hocheffiziente Stromversorgungen.

Obwohl SiC-MOSFETs gegenüber Si-Leistungsbauelementen eine vorteilhafte Nennspannung von 650 V aufweisen, stellen sie in bestimmten Anwendungen der Leistungsumwandlung nach wie vor eine Herausforderung dar. Die Verschlechterung des Gate-Oxids verstärkt den Verschleiß unter bestimmten extremen Belastungen wie Kurzschluss- (SC) oder Lawinenbelastungen und muss sorgfältig berücksichtigt werden, um den Verschleiß der Bauelemente zu minimieren.

STMicroelectronics hat Maßnahmen ergriffen, um diese Einschränkungen zu überwinden, indem das Unternehmen die Leistung und Zuverlässigkeit seiner 650-V-SiC-MOSFETs der dritten Generation gesteigert hat. Ihr fortschrittlichstes Bauelement, ein 2-kV-4H-SiC-MOSFET, zeichnet sich durch eine erstaunlich lange Lebensdauer aus, die unter hohen PCT-Belastungsbedingungen die jedes herkömmlichen IGBT übertrifft. Dank eines reduzierten Zellabstands und einer möglichen Optimierung der Dotierungsverteilung im Driftbereich erreicht diese Generation zudem einen niedrigeren RDS(on). Dieses Bauelement zeigt außerdem eine außergewöhnliche Zuverlässigkeit bei DRB-Tests (Dynamic Reverse Bias) und übertrifft damit die Automobilnorm AQG324. Dieser erste Band der Reihe „Discretes Performance Comparison Analysis 2024“ vergleicht fünf diskrete SiC-MOSFETs der 1200-V-Klasse von globalen Anbietern sowie einen Si-IGBT unter identischen Testbedingungen.

Materialien mit großer Bandlücke

Halbleiter mit großer Bandlücke eignen sich ideal für Anwendungen in der Leistungselektronik, da sie eine größere Bandlücke aufweisen und bei höheren Temperaturen betrieben werden können, während sie gleichzeitig die Leistungsverluste im Vergleich zu Halbleitermaterialien der ersten Generation wie Silizium reduzieren. Darüber hinaus zeichnen sich Halbleiter mit großer Bandlücke durch eine höhere Elektronenbeweglichkeit aus, wodurch Ansteuerschaltungen mit höheren Schaltfrequenzen betrieben werden können, was zu energieeffizienteren und kompakteren Systemen führt.

Steigende Anforderungen an die Energieeffizienz haben Forscher dazu veranlasst, nach neuen Materialien für Leistungshalbleiter zu forschen, wobei Silizium zwei Alternativen weichen musste – Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gelten als vorteilhaftere Optionen, insbesondere für den Einsatz in Hochspannungsanwendungen. Silizium galt einst als dominierender Anwärter, ist jedoch in jüngster Zeit als Lösung für Leistungshalbleiter diesen beiden Alternativen gewichen.

Siliziumkarbid (SiC) und GaN weisen größere Bandlücken auf als Halbleitermaterialien der ersten Generation und ermöglichen dadurch höhere Betriebsspannungen, niedrigere Temperatureinstellungen und geringere Energieverluste. Darüber hinaus sind SiC-/GaN-Bauteile kleiner und leichter als ihre Silizium-Pendants, wodurch die Baugröße und die Kosten der Komponenten reduziert und gleichzeitig die Systemleistung gesteigert werden.

STMicroelectronics hat kürzlich seinen 650-V-SiC-MOSFET der dritten Generation vorgestellt, der auf dem branchenweit anerkannten Leistungsindex (Figure of Merit, FoM) basiert. Laut STMicroelectronics bietet das Bauteil hervorragende RDS(on)-Werte und weist dank eines reduzierten Gate-Array-Abstands im 20%-Design sowie einer optimierten Dotierungsverteilung im Driftbereich einen höheren Qualitätsfaktor auf als führende Wettbewerber. Dank dieser hohen Leistungsstandards können Entwickler nun auf der Grundlage dieser Parameter Stromversorgungen entwerfen, die für Wechselrichter für erneuerbare Energien, Batterieladegeräte oder Elektrofahrzeuge geeignet sind.