Was ist ein Siliziumkarbid-IGBT?

Siliziumkarbid (SiC) ist ein künstliches Halbleitermaterial, das für seine hohe Temperatur- und Spannungsleistung bekannt ist. Zu den beiden verfügbaren Polymorphen gehören Alpha-SiC mit hexagonaler Kristallstruktur ähnlich dem Wurstit und Beta-SiC mit Zinkblende-Kristallstrukturen.

In dieser Studie wurden drei experimentelle Systeme untersucht, darunter ein herkömmliches AGPU-System sowie ein Einzelimpulstest und ein dreiphasiges Wechselrichtersystem. Ihre Effizienz und ihr detailliertes hartes Schaltverhalten wurden verglichen.

Hohe Schaltgeschwindigkeit

Siliziumkarbid verfügt über eine breite Bandlücke, die es ermöglicht, mit hoher Geschwindigkeit zu schalten und dabei Tausende von Volt zu blockieren, was es zu einem idealen Material für Anwendungen in der Leistungselektronik macht. Darüber hinaus weist SiC geringere Energieverluste auf und benötigt weniger Platz als herkömmliche Siliziumbauteile. Damit ist es der ideale Halbleiter für das Aufladen von Batterien in Elektroautos, die Umwandlung von Solarenergie in Gleichstrom und die Optimierung des Wirkungsgrads der Energieumwandlung.

Höhere Schaltgeschwindigkeiten bringen neue Herausforderungen mit sich, die Ingenieure bewältigen müssen: schwierige Prüf- und Messmethoden, parasitäre Schaltungen, die übermäßige Spannungsspitzen verursachen, Nichteinhaltung von EMI-Vorschriften und hochempfindliche Entwurfs-/Integrationsverfahren. Wir erörtern hier einige häufige Hindernisse sowie bewährte Verfahren, die den Ingenieuren helfen können, diese zu überwinden.

Siliziumkarbid (SiC) ist eine anorganische chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die in der Natur in Form des Edelsteins Moissanit vorkommt. Die kommerzielle Produktion wurde 1893 zur Verwendung als Schleifmittel aufgenommen. SiC bildet auch die Grundlage für einige superharte Materialien, die Temperaturen von bis zu 2400 Grad Celsius standhalten können. Aufgrund seiner einzigartigen Fähigkeit, schnell zu schalten und dabei Tausende von Volt zu blockieren, hat SiC in der Leistungselektronik schnell Anerkennung gefunden.

Hohe Effizienz

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, das sich für die Herstellung hocheffizienter Leistungsbauelemente eignet und auch wegen seiner anderen Eigenschaften geschätzt wird, die es für solche Zwecke so geeignet machen. Dazu gehören seine hohe elektrische Feldstärke, die höhere Spannungen in Halbleiterbauelementen ermöglicht, und sein niedriger Widerstand, der die Leitungsverluste verringert.

Siliciumcarbid (SC) ist eine harte chemische Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff, die in der Natur in Form des Minerals Moissanit vorkommt und seit 1893 in großen Mengen zur Verwendung in Schleifmitteln und Keramikplatten für kugelsichere Westen hergestellt wird.

Mit einer niedrigen Kommutierungsinduktivität des Moduls und kleinen magnetischen Filterkomponenten ermöglichen Siliziumkarbid-IGBTs geringere Schaltverluste und eine verbesserte Systemeffizienz. Darüber hinaus minimiert der niedrige Wärmewiderstand zwischen Chip und Kühlkörper die Leitungsverluste; außerdem haben sie selbst unter schweren Lastbedingungen sehr geringe Schaltverluste.

SiC-IGBTs erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 92% im Vergleich zu konventionellen AGPU-Systemen unter ähnlichen Bedingungen und ermöglichen es Entwicklern, hocheffiziente Leistungswandler zu konstruieren. Wolfspeed Gen 3 3300 V Siliziumkarbid-Bare-Die-MOSFETs machen externe Body-Dioden überflüssig und senken die Stücklistenkosten und die Systemkomplexität drastisch.

Niedriger Temperaturkoeffizient

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke und hervorragender Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, weshalb es sich für die Herstellung von Transistoren, Leiterplatten und industrielle Anwendungen wie Motorantriebe und Generatoren eignet. Als organische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff kommt es in der Natur als Moissanit vor; andere Formen sind braunes bis schwarzes Pulver oder große Einkristalle, die zu harten keramischen Schleifmitteln oder kugelsicheren Westenteilen zusammengefügt sind.

SiC-IGBTs zeichnen sich durch einen außergewöhnlich niedrigen Temperaturkoeffizienten aus, der es ihnen ermöglicht, bei höheren Temperaturen zu arbeiten als ihre siliziumbasierten Gegenstücke. Dadurch werden die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad der Leistungselektronik erhöht und gleichzeitig die Zuverlässigkeit verbessert, indem das Überschwingen während der Transienten (der Anstieg der Spannung über den Wert im eingeschwungenen Zustand) verringert wird.

Die hervorragenden Isolationseigenschaften von Siliziumkarbid ermöglichen den Einsatz in rauen Umgebungen, einschließlich solcher, in denen das Kühlmedium stark korrosiv ist, sowie bei Temperaturschwankungen und Spannungsspitzen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt oder in der Automobiltechnik vorkommen. Auch seine Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Chemikalien machen es zu einer ausgezeichneten Wahl.

Hohe Zuverlässigkeit

Siliziumkarbid-iGBTs können in Hochspannungsstromrichtern eingesetzt werden und bieten im Vergleich zu Siliziumbauelementen eine bessere Leistung. Sie arbeiten bei höheren Temperaturen und leiten mehr Wärme ab, während sie gleichzeitig geringere Schaltverluste aufweisen, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, die eine hohe Zuverlässigkeit und Effizienz erfordern. Darüber hinaus weisen Siliziumkarbid-Bauteile eine höhere kritische Durchschlagsfestigkeit auf und halten bei gleicher Dicke höheren Spannungen stand als ihre Silizium-Gegenstücke.

Die Cree Corporation stellte im Januar 2011 den ersten kommerziell nutzbaren SiC-MOSFET-Baustein vor. Dieser MOSFET mit einem Widerstand von 80 mO war in einem TO-247-Gehäuse untergebracht und zeichnete sich durch eine höhere Schaltgeschwindigkeit als herkömmliche IGBTs aus - ein wichtiger Meilenstein, der zeigte, wie Siliziumkarbid in Hochgeschwindigkeitsstromwandlungsanwendungen eingesetzt werden kann.

Ein weiterer großer Vorteil von Siliziumkarbid liegt in seiner extrem hohen elektrischen Feldstärke, die die Herstellung von Hochspannungs-Halbleiterbauelementen ermöglicht. Diese Technologie wurde zwar nicht sofort von den Herstellern elektronischer Geräte übernommen, setzt sich aber mit der Zeit immer mehr durch.

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