Applikationsgebiete von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern.

Applikationsgebiete von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern.ULVAC

Auf Wide-Band-Gap-Halbleiter wie Galliumnitrid oder Siliziumkarbid hat die Leistungselektronik wegen ihrer Vorteile schon lange gewartet. Diese sind verglichen mit Si-Bauteilen unter anderem ein geringerer RDS (on), verringerte Leckströme und reduzierte Schaltverluste. Wo ergeben sich nun die Vor- und Nachteile der beiden Wide-Band-Gap-Lager?

  • SiC dominiert noch bis 1200 V und darüber sowie durch seine guten Schalteigenschaften bei hohen Frequenzen. Der Preis ist aber immer noch ein Hindernis.
  • Der Umsatz mit SiC-Modulen überholt trotzdem in überschaubarem Zeitraum den der Diskreten.
  • SiC-Bauelemente werden sich, zumindestens in Nischen, in diversen Hochspannungsindustrieapplikationen etablieren.

Auf einen Blick

RFMD hat die Verfügbarkeit von zwei 650 V SSFETs (Sourced Switched FETs) in seiner rGaN-HV-Technolgie angekündigt. Mit dem RFJS3006F steht ein Evaluations-Board für den Aufbau eines 2,4 kW Boost-Wandlers bereit, welches den Entwicklern den Einstieg in die GaN-Technologie erleichtert.

GaN-Leistungshalbleiter dagegen:

  • werden bei Spannungen bis 900 V dominieren.
  • Ihre Preise werden in 2019 das Si-Niveau erreicht haben, alle 600 V SiC-Schottky werden dann durch GaN ersetzt.
  • Außerdem wird sich GaN in Consumer- und Computing/Server-Powerconversion-Applikationen etablieren.

Kleinere Schaltnetzteile in Ladegeräten oder PFC-Stufen im untersten Leistungsbereich kommen hier in Frage, Sonderlösungen in Kleinumrichtern (kleiner 2 kW) sind auf Messen schon zu sehen.

Bild 1: Marktentwicklung der konkurrierenden Halbleitertechnologien.

Bild 1: Marktentwicklung der konkurrierenden Halbleitertechnologien. ism research

Auf GaN-Bauelementen basierende Umrichter im Bereich hunderter kW wird man in den nächsten Jahren nicht zu sehen bekommen, Umrichter dieser Größenordnung auf Basis von SiC sind aber bereits in der Erprobung.

Die Marktentwicklung der konkurrierenden Technologien zeigt Bild 1. Bild 2 zeigt die technologischen Grenzen für die konkurrierenden Halbleitertechnologien. Laut dem UVAC-Technologie Journal 63 vom Mai 2013 wird der Markt für GaN-Bauelemente in Japan 500 Milliarden Yen (3,5 Milliarden Euro) beziehungsweise weltweit zwei Billionen Yen (14,2 Milliarden Euro) erreichen. Und laut der R&D Association for Future Electron Devices kann durch den Ersatz von konventionellen Si-Leistungshalbleitern durch die SiC- und GaN-Halbleiter der nächsten Generation die CO2-Emission um 70 % bis 90 % reduziert werden.

Bild 2: Technologischen Grenzen für die konkurrierenden Halbleitertechnologien.

Bild 2: Technologischen Grenzen für die konkurrierenden Halbleitertechnologien. RFMD

GaN – vom HF-Einsatz zur Leistungselektronik

RFMD kündigt jetzt die Verfügbarkeit von zwei 650 V SSFETs (Sourced Switched FETs) in seiner rGaN-HV-Technolgie an, die im Mai 2012 erstmals publiziert wurde. RFMD befasst sich seit 1995 mit der GaN-Technologie für den Hochfrequenzeinsatz und begann ab dem Jahr 2010 die GaN-Technologie für Leistungsapplikationen zu entwickeln. RFMD ist der größte III-V-Hersteller für HF-Anwendungen und fertigt mehr als 25 % der weltweiten GaAs-Wafer für HF-Applikationen und dies mit einer Effizienz/Ausbeute, die mit Si-Wafern vergleichbar ist.

Die Merkmale der rGaN-HV-Technologie sind eine Betriebsspannung von 650 V, eine Durchbruchspannung von mindestens 899 V, ein On-Widerstand (Ron) von 6 Ω x mm und eine Leakage von 1 µA/mm. Die angezielten Qualitätsdaten bei 650 V sind Ea > 1,5 eV und eine MTTF > 1 x 107 Stunden bei Tch= 175 °C.

Die in der rGaN-HV-Technologie gefertigten Leistungshalbleiter sind grundsätzlich laterale GaN-HEMTs. Der Sourced Switched FET (SSFET) ist ein Kaskade-Bauteil bestehend aus dem rGaN-HV High Voltage GaN lateralem HEMT mit einem zugeschnittenen low voltage Trench-MOSFET in einem TO-247-Gehäuse mit isolierter Basisplatte. Das so entstandene Bauteil hat ein isoliertes Gate und lässt sich von standardmäßigen Gatetreiberschaltungen oder GDICs (Gate Driver ICs) ansteuern. Die SSFETs können in bestehenden Applikationen TO-247 Superjunction MOSFETs ersetzen, bieten aber eine höhere Effizienz.

Ein weiterer großer Vorteil der SSFET ist die integrierte ultraschnelle Freilaufdiodenfunktion, die eine externe separate SiC-Schottkydiode überflüssig macht. Kein anderer Anbieter bietet diesen Vorteil zusammen mit einem sehr niedrigen RDS (On) von 45 mΩ bei 650 V Durchbruchspannung.

Denkbare Applikationen für 600 bis 650 V sind Stromversorgungen für IT und Telekom, der Ersatz von SJFETs mit einer zehnmal besseren Figure-of-Merit, Leistungsplattformen mit Frequenzen bis 500 kHz, PFC- und DC/DC-Applikationen mit Wirkungsgraden bis 95 oder gar 98 %. Außerdem hat die Technologie das Potenzial Dioden und Mehrfachschalter zu integrieren. Die Anwendungen, die RFMD mit einer künftigen 900- bis 1200-V-Technologie im Auge hat, sind Solarinverter und USVs, der Ersatz von IGBTs bei gleichzeitig verbesserter Effizienz, Leistungsplattformen bis 50 oder gar 100 kHz. Außerdem will die Firma die GaN-Teile günstiger als vergleichbare SiC-Bauteile anbieten. Da die beiden Typen normalerweise abgeschaltete (normally-off) SSFETs sind, genügen sie auch den Sicherheitsanforderungen der Leistungselektronik.

Erste aktuelle GaN-SSFETs

Im isolierten TO-247 präsentiert sich der RFJS3006F, ein schneller 650 V SSFET (Source Switched FET) mit integrierter ultra-schnellen Freilaufdiode, die eine Sperrerholzeit TRR von 12 ns aufweist und einer Sperrladung QRR von 40 nC. Der normally-off insulated Gate SSFET, von dem es erste Muster gibt, ist ausgelegt für 30 A (ID bei 25 °C) und bietet einen RDS (On) von 45 mΩ. Die Schaltverluste sind mit 20 µJ/30 µJ (Eon/Eoff) sehr gering.

Der RFJS1506Q im kleinen 8 mm x 8 mm HV PQFN ist eine sehr schnelle Version und für 15 A ausgelegt, verfügt ebenfalls über eine sehr schnelle interne Freilaufdiode (TRR 9 ns, QRR 21 nC).

Bild 3: Schaltbild der SSFETs RFJS3006F und RFJS1506Q.

Bild 3: Schaltbild der SSFETs RFJS3006F und RFJS1506Q. RFMD

Weitere Daten sind eine geringe Ausgangskapazität und eine geringe Induktivität, außerdem werden die für den Hochspannungseinsatz erforderlichen Kriechstrecken eingehalten. Beide Bauteile, deren Innenschaltung Bild 3 zeigt, bieten durch ihr isoliertes Gate die Vorteile und den einfachen Einsatz wie man ihn vom Power-MOSFET oder IGBT kennt, aber das mit höherer Effizienz und bei höheren PWM-Frequenzen. Die SSFETs verwenden die Bidirektionalität eines GaN-HEMTs für die Bildung einer ultra-schnellen Freilaufdiodenfunktion. Eine separate Antiparalleldiode ist so nicht erforderlich.

2,4 kW Boost Converter Evaluationboard

RFMD bietet für den RFJS3006F ein Evaluationboard für den Aufbau eines 2,4 kW Boost-Wandlers an. Es erleichtert den Entwicklern den Einstieg in die GaN-Technologie. Das Evaluationboard RFJS3006FDK1 in Boost-(step-up)-Topologie wird im nichtlückenden Continuous Conduction (CCM) Mode betrieben und eignet sich dazu, die Ein- und Ausschaltcharakteristiken des RFJS3006F sowie seine Verluste und den Wirkungsgrad zu evaluieren.

Bild 4: Das Evaluationboard RFJS3006FDK1 in Boost-Topologie eignet sich für die Evaluierung verschiedener Parameter des RFJS3006F in einer 2,4 kW Wandlerapplikation.

Bild 4: Das Evaluationboard RFJS3006FDK1 in Boost-Topologie eignet sich für die Evaluierung verschiedener Parameter des RFJS3006F in einer 2,4 kW Wandlerapplikation. RFMD

Das Board enthält den RFJS3006F zusammen mit einem Treiber und einer SiC-Schottkydiode sowie einer Spule (Bild 4). Seine Spezifikationen sind: Maximale Ausgangsleistung 2400 W, Eingangsspannung 180 VDC bis 240 VDC, geregelte Ausgangsspannung 386 V und Schaltfrequenz 133 kHz. Das Board ist bei der Eurocomp Elektronik GmbH für 865 € (Netto) erhältlich.

Schlussbemerkung

Der Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern ist in Schaltapplikationen mit sehr hohen Spannungen vorteilhaft, die Verwendung von GaN ist dagegen dort sinnvoll, wo es auf eine hohe Gesamteffizienz ankommt.

SiC-Substrate sind einige Dutzend Mal teurer als Si-Substrate, GaN dagegen macht nur ein Zwanzigstel der SiC-Kosten aus bei Verwendung von Si-Substraten und ein Viertel der Kosten von SiC auf Safirsubstrat. Die Massenproduktion und weitere Kostenreduzierungen sind essenziell für den Breiteneinsatz von GaN-Leistungshalbleitern, welche zusätzlich erheblich sind wenn unmodifizierte Si-Substrate verwenden werden.

Da GaN der vielversprechende Leistungshalbleiter der nächsten Generation ist, gibt es von vielen Ländern Anstrengungen das Monopol der Japaner auf diesem Gebiet zu brechen. Zum Beispiel hat Imec in Europa sein GaN-on-Si Research Program für die Herstellung von 8 Zoll GaN/Si-Wafern neu organisiert und gleichzeitig gibt es gemeinsame Entwicklungsprojekte mit überseeischen Herstellern.