Bild 1: Im Bereich der Leistungselektronik eröffnen Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) neue Dimensionen.

Bild 1: Im Bereich der Leistungselektronik eröffnen Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) neue Dimensionen. Rohm

In vielen Leistungselektronikanwendungen wie industrielle Motorsteuerungen, regenerative Stromerzeugung und insbesondere in der Elektromobilität, spielen Platzbedarf, Gewicht und Wirkungsgrad eine erhebliche Rolle, in der Produktentstehung sollen dabei Kosten und Aufwand gering bleiben und gleichzeitig Produktqualität und Betriebssicherheit gewährleistet sein.

Im Rahmen eines SiC & Power-Forums in Nürnberg stellte der Halbleiterhersteller Rohm seine Innovationen im Bereich Leistungshalbleiter vor, mit dem Schwerpunkt auf der SiC-Technologie. Warum sich der Einsatz von teureren Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern lohnt, wo ihre Vorteile gegenüber den klassischen Siliziumbausteinen liegen und für welche Applikationen sie sich besonders eignen, fasst der folgende Beitrag zusammen.

„Verglichen mit klassischen Si-Leistungshalbleitern verfügen SiC-Leistungsbausteine gleicher Baugröße über deutlich höhere Schaltleistung bei gleichzeitig sehr viel geringeren Schaltverlusten“, sagt Dr. Kazuhide Ino, General Manager Power Device Division von Rohm. „Das bedeutet weniger Bauteile in der Leistungsendstufe und wie auch kleinere Kühlkörper. Die größere Schaltgeschwindigkeit erlaubt beim Einsatz in Schaltwandlern einen Betrieb mit höheren Taktraten, was in merklich kleineren und leichteren Speicherinduktivitäten und ‑kapazitäten resultiert.“

Bild 2: Die höhere Spannungsfestigkeit von SiC erlaubt einen dünneren Schichtaufbau und verringert damit Verluste.

Bild 2: Die höhere Spannungsfestigkeit von SiC erlaubt einen dünneren Schichtaufbau und verringert damit Verluste. Rohm

Leistungshalbleiter entwickeln sich weiter

Während die elektrische Feldstärke bei Silizium (Si) etwa 0,3 MV/cm beträgt, liegt sie bei Siliziumkarbid (SiC) mit 2,8 MV/cm fast um den Faktor Zehn höher (Bild 2). Eine größere Feldstärke und die hohe  Elektronensättigungsgeschwindigkeit von etwa 2 · 107 cm/s ermöglichen eine wesentlich dünnere Schichttopologie als bei Si – ein SiC-Wafer ist damit etwa so dick wie ein Blatt Papier. Elementarer Effekt dabei ist der spezifische Flächenwiderstand (RonA), welcher nur noch 1/6 bis 1/10 des Wertes eines SJ-MOSFET auf Siliziumbasis beträgt. In Zusammenwirkung mit der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit entstehen kürzere Schaltzeiten, womit sich die Verlustenergie im Schaltmoment deutlich reduziert.

Durch eine spezielle Geometrie der unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen sowie vergrößerte Grenzschichtflächen (Trenchgate, Punch Through) lassen sich die Leistungs- und Schaltcharakteristiken der Leistungsbausteine sowie der innere E-Feldverteilung optimieren. Damit entfallen beispielsweise Reverse-Recovery-Ströme bei Schottkey-Dioden, beim Hybrid-MOS entsteht eine neue U-I-Kennlinie als Kombination aus IGBT und Super Junction MOSFET. Insgesamt werden Schaltspannungen, ‑ströme und -frequenzen deutlich höher, Verlustleistungen kleiner und Temperaturabhängigkeiten besser kompensiert.

Bild 3: Bevorzugte Einsatzbereiche von Halbleitern mit unterschiedlichem Material.

Bild 3: Bevorzugte Einsatzbereiche von Halbleitern mit unterschiedlichem Material. Rohm

SiC versus GaN

„Besser als Silizium-Leistungstransistoren eignen sich SiC-MOSFETs für Anwendungen mit hohen Schaltleistungen – Galliumnitrid-HEMTs haben ihre Stärke eher bei sehr hohen Schaltfrequenzen“, erklärt Dr. Ino (Bild 3).

SiC-Transistoren haben zwischen Source und Drain eine vertikale Zellstruktur (Bild 4), der Stromfluss erfolgt quer durch die Zellen und sie können bei Spannungen im Bereich 600 V bis 6 kV Ströme > 100 A schalten. Das diamantharte Material verkraftet eine fast dreimal höhere Chip-Temperatur und leitet die Verlustwärme fast dreimal besser als Si oder GaN. Diese Leistungshalbleiter eignen sich besonders für den Einsatz als Schaltregler in Elektrofahrzeugen, Hochvoltladegeräten, industriellen Motorsteuerungen sowie Bahn- und Stromversorgungsnetzten, wo Leistungen bis in den zweistelligen Megawattbereich bei Schaltfrequenzen von mehreren 100 kHz geschaltet werden müssen.

Bild 4: Die Zellstruktur bestimmt die charakteristischen Eigenschaften der Halbleiter.

Bild 4: Die Zellstruktur bestimmt die charakteristischen Eigenschaften der Halbleiter. Rohm

GaN-HEMTs (Galliumnitrid High Electron Mobility Transistor) haben eine laterale Zellstruktur (Bild 4), der Stromfluss erfolgt längs durch die Zelle. Bezüglich Schaltspannungen und Chip-Temperatur sind sie vergleichbar mit SiC-Transistoren, die Wärmeleitfähigkeit von GaN ist allerdings kaum besser als bei Si wodurch die Strombelastbarkeit eher im Bereich < 20 A liegt. Mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit eignen sich GaN-Transistoren ideal für HF-Anwendungen im Bereich Rundfunk und Telekommunikation mit Frequenzen bis in den zweistelligen Gigaherzbereich.

Einsparpotenziale

Bild 5: Module eines 5-kW-DC/DC-Konverters in Si- und SiC-Technologie zeigen Einsparpotenziale bezüglich Bauraum, Gewicht und Effizienz.

Bild 5: Module eines 5-kW-DC/DC-Konverters in Si- und SiC-Technologie zeigen Einsparpotenziale bezüglich Bauraum, Gewicht und Effizienz. Rohm

Weniger Verlustwärme beim Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern bedeutet gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad und kleinere Kühlkörper, was Platzbedarf und Gewicht verringert. Höhere Schaltgeschwindigkeiten der SiC-Bausteine ermöglichen eine Anhebung der Schaltfrequenz, wodurch sich Speicherinduktivitäten und -kapazitäten kleiner und leichter dimensionieren lassen. Im Zusammenwirken mit den größeren Schaltspannungen erhöht sich damit die Leistungsdichte in Schaltwandlern und Leistungsendstufen bedeutend. Wo bisher für hohe Schaltspannungen und ‑ströme mehrere Si-Leistungsschalter parallel oder in Serie geschaltet wurden, genügen jetzt einzelne SiC-Leistungshalbleiter.

Die SiC-Technologie ist zwar etwas aufwendiger und mangels größerer Stückzahlen zur Zeit noch teurer als die von Silizium, allerdings ermöglicht der Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern teilweise signifikante Verbesserungen im Hinblick auf Effizienz, Schaltungsaufwand, Größe und Gewicht.

Das Applikationsbeispiel eines dreiphasigen DC/DC-Resonanzwandlers (LLC) mit 5 kW Ausgangsleistung verdeutlicht das Einsparpotenzial in Bild 5: Der ursprünglich mit Si-IGBTs aufgebaute Wandler wog 7 kg bei einem Volumen von 8,7 l und schrumpfte durch Verwendung von höher getakteten SiC-Halbleitern auf 0,9 kg bei nur noch 1,3 l. Bei 20 kHz gingen die Schaltverluste um 63 % zurück.

Bild 6: Coreless-Transformer-Isolierbausteine schalten deutlich schneller und steilflankiger als Optokoppler.

Bild 6: Coreless-Transformer-Isolierbausteine schalten deutlich schneller und steilflankiger als Optokoppler. Rohm

Leistungssteigerung von Rohms SiC-Leistungshalbleitern

Für alle Anwendungsbereiche in der Leistungselektronik bietet Rohm diskrete Halbleiterbausteine auf Silizium-Basis (Schottky-Diode, Super Junction MOSFET, Hybrid MOS, IGBT, FRD) mit Spannungsbereichen von 300 bis 1200 V sowie SiC-MOSFETs und -SBDs  bis 1700 V. GaN-HEMTs befinden sich derzeit in der Entwicklung. Rohms Simulationstools für SiC-Leistungshalbleiter unterstützen Entwickler bei der Verlustleistungsberechnung und Schaltungssimulation via Spice-Modell.

Integrierte SiC-Leistungsmodule und passende Gate-Treiber-ICs sind aufeinander abgestimmt, erreichen die notwendige funktionale Sicherheit und verringern den Entwicklungsaufwand für Schaltungsdesigner.

Bild 7: Der Revers-Recovery-Strom im Abschaltmoment ist bei SiC-SBD fast vollständig eliminiert.

Bild 7: Der Revers-Recovery-Strom im Abschaltmoment ist bei SiC-SBD fast vollständig eliminiert. Rohm

Rohms 180-A-Powermodule der dritten Generation auf Basis von UMOSFETs (Trench-Gate-Technologie) mit  integrierten SBD (Schottky-Barrier-Diode) schalten an 1200 V bis zu 180 A mit einem RDS On von 10 mOhm. Eine Metallplatte leitet an der Unterseite der voll vergossenen Blockmodule Verlustwärme ab, auf der Oberseite lässt sich über Pin-Anschlüsse eine Treiberplatine anschließen (Bild 1, obere linke Ecke). Über seitliche Schraubflansche können Stromleitungen sowie Zwischenkreiskondensatoren angeklemmt werden. Die größeren Leistungsmodule der Serie BSM300 schalten gut gekühlt an 600 V bei 10 kHz 280 A und bei 50 kHz noch 180 A. Sie sind bei Schaltfrequenzen oberhalb von 10 kHz leistungsfähiger und effizienter als konventionelle IGBT-Module.

„Für SiC-Halbleiter optimierte Gatetreiber-ICs sind für höhere Schaltfrequenzen von mehr als 100 kHz und Ausgangspegel bis 24 V ausgelegt. Sie haben eine verbesserte Störfestigkeit, weniger Schaltverluste und ein verbessertes Soft-Turn-Off-Schaltverhalten“,  erklärt Fabrice Gingore, Product Marketing Manager bei Rohm und ergänzt: „Eine Besonderheit sind die Coreless-Transformer-Isolierbausteine anstelle konventioneller Optokoppler. Die induktive Signalübertragung schaltet deutlich schneller und steilflankiger als die optische Variante und verbessert damit Delay und Jitter von Ein- und Ausgangssignalen.“ (Bild 6)

Bild 8: SiC-DMOS und SBD in Kombination reduzieren die Verlustenergie im Abschaltmoment (Eoff) um 88 %.

Bild 8: SiC-DMOS und SBD in Kombination reduzieren die Verlustenergie im Abschaltmoment (Eoff) um 88 %. Rohm

Schottky-Dioden, DMOSFET und UMOSFET

Ob als diskretes Bauteil oder integriert in Leistungstransistoren, Rohms SiC-Schottky-Barrier-Dioden (SBD) erreichen auch bei hohen Betriebstemperaturen eine großen Durchgangsstrom IFSM bei geringem Spannungsabfall VF. Wie in Bild 7 erkennbar, ist der Revers-Recovery-Strom im Abschaltmoment bei einer SiC-SBD fast vollständig eliminiert.

Dieser Vorteil wirkt sich auch bei SiC-DMOSFET mit integrierter ultraschneller Body-Diode aus, was sowohl die Verlustenergie als auch Emissionen verringert. Deutlich kürzere Schaltzeiten der Kombination SiC-DMOS + SBD reduzieren die Verlustenergie im Abschaltmoment (Eoff) um 88 %, im Einschaltmoment (Eon) um 34 % verglichen zu IGBT + FRD (Bild 8).

Bild 9: Rohms Double-Trench-Geometrie verbessert den Ron sowie die Feldverteilung im Drift-Layer und erhöht damit die innere Durchschlagssicherheit zum Gate.

Bild 9: Rohms Double-Trench-Geometrie verbessert den Ron sowie die Feldverteilung im Drift-Layer und erhöht damit die innere Durchschlagssicherheit zum Gate. Rohm

Im Gegensatz zum planaren Gate beim DMOSFET vergrößert ein grabenförmiges Gate (Trenchgate) bei den neuen SiC-UMOSFETs die Grenzschichtflächen und bewirkt damit eine Halbierung des RonA von 8,2 mOhm cm2 beim DMOSFET auf 4,1 mOhm cm2. Rohms Double-Trench-Geometrie verbessert die Feldverteilung im Drift-Layer und erhöht damit die innere Durchschlagssicherheit zum Gate (Bild 9).

Bild 10: Der Schichtenaufbau beeinflusst Innenwiderstand, Schaltspannung und -geschwindigkeit deutlich.

Bild 10: Der Schichtenaufbau beeinflusst Innenwiderstand, Schaltspannung und -geschwindigkeit deutlich. Rohm

SJ-MOSFET, IGBT und Hybrid-MOSFET

„Eine tieferer P+-Kanal in der N-Verarmungsschicht von Si-Super-Junction-MOSFETs steigert zwar die Effizienz dieser sehr schnellen 600-V-Leistungsschalter, führt aber bei Schaltfrequenzen oberhalb von 100 MHz zu einer unerwünschten Zunahme der Störemission nahe an die zulässigen Grenzwerte“, erläutert Masaharu Nakanishi von European Product Marketing bei Rohm. „Mit deutlich besseren Leistungseigenschaften sind SiC-MOSFETs den Si-Super-Junction-MOSFETs überlegen und können diese ablösen.“ Bild 10 zeigt die Unterschiede im Aufbau der Halbleiterschichten bei Si-Planar-, Si-Super-Junction- und SiC-MOSFETs.

Mit einer Anhebung der Schaltgeschwindigkeiten nimmt bei Leistungshalbleitern in der Regel auch die Störemission zu. Daher fährt Rohm mit Si-Super-Junction-MOSFETs zweigleisig und verfolgt mit dem Fast-Switching-Typ R6020KNX höhere Schaltgeschwindigkeiten (toff = 63 ns bei 600 V / 20 A), während der etwas langsamere Low-Noise-Typ R6020ENX (toff = 136 ns bei 600 V / 20 A) oberhalb von 100 MHz Schaltfrequenz eine geringere Störaussendung aufweist.

Eine dünnere P+-Substratschicht (Kollektor) schafft in Verbindung mit der Punch-Through-Technologie  bei IGBTs eine bessere Feldverteilung, ein schnelleres Schalten, eine steilere U-I-Kennlinie und damit weniger Verlustenergie im Schaltmoment. Die gegenwärtige Entwicklung der dritten IGBT-Generation verfolgt zwei Varianten: 1200 V / 300 A und 1800 V / 50A mit integrierter Diode.

Die U-I-Kennlinie des Hybrid MOSFET vereint die Charakteristiken von Super-Junction-MOSFET (bei kleineren Spannungen) und IGBT (bei größeren Spannungen), wie Bild 11 zeigt. Der verringerte Drain-Source-Spannungsabfall führt bei kleinen Leistungen von 500 W zu 81 % weniger Energieschaltverlusten als bei IGBTs, bei größeren Leistungen um 4 kW sind es 56%.

Bild 11: Der Hybrid MOSFET vereint die Charakteristiken von SJ-MOSFET und IGBT.

Bild 11: Der Hybrid MOSFET vereint die Charakteristiken von SJ-MOSFET und IGBT. Rohm

Anwendungsbeispiele

In der zweiten Tageshälfte des SiC & Power-Forums stellten einige Firmen und Institute weitere Komponenten und Analyseergebnisse zu Applikationen mit SiC-Leistungshalbleitern von Rohm vor. So hat das Institut für Solare Energiesysteme (ISE) der Fraunhofer Gesellschaft den bereits erwähnten dreiphasigen 10-kW-UPS-Inverter mit SiC-Leistungsschaltern neu aufgebaut, seine Effizienz gesteigert, den Bauraum verkleinert und die Einsparpotenziale im Vergleich zur ursprünglichen Variante auf Basis von SI-MOSFETs ermittelt. Beeindruckend ist die Hochrechnung der laufenden Betriebskosten einer unterbrechungsfreien Stromversorgung mit 10 kW in einem Zeitraum von 10 Jahren: 3200 Euro/Jahr basierend auf Si gegenüber 1200 Euro/Jahr basierend auf SiC. Den größten Anteil macht dabei Verlustleistung aus.

Bild 12: Mit SiC-MOSFETs lassen sich die L- und C-Bauteile im Hochvoltantriebsstrang deutlich verkleinern.

Bild 12: Mit SiC-MOSFETs lassen sich die L- und C-Bauteile im Hochvoltantriebsstrang deutlich verkleinern. Leibniz Univertität Hannover

Im Bereich der E-Mobility hat das Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) der Leibniz Universität Hannover Leistungsbausteine des Hochvoltantriebsstrangs (Zwischenkreis-Booster + Inverter, Bild 12) modelliert und über die parametrierbare Simulationsmodelle das Wärmemanagement im Hinblick auf eine SiC-Chipgrößenoptimierung untersucht. Beim Inverter ergab ein Vergleich des älteren Prius-2010-VSI (Voltage Source Inverter) mit einem IAL-60-kW-VSI auf Basis von SiC-Leistungshalbleitern folgende Einsparpotenziale: Chip-Flächenbedarf um 76 % kleiner, Kondensator-Volumen um 91 % kleiner, Kondensator-Gewicht um 68 % geringer.  Auch beim Zwischenkreis-Booster reduzierte sich die Chipfläche um 76 %, das Volumen der Speicherinduktivitäten um 81 % und ihr Gewicht um 56 %.

Bild 13: Die Cera-Link-Serie verändert ihre Kapazität spannungsabhängig.

Bild 13: Die Cera-Link-Serie verändert ihre Kapazität spannungsabhängig. Epcos

Die Firma EPCOS (TDK-Group) hat passive Komponenten wie Induktivitäten, Kapazitäten speziell auf SiC-Applikationen angepasst. Weil die magnetisch Flussdichte im Spulenkern bei hohen Leistungen in die Sättigung geht, sind die Speicherinduktivitäten für höhere Schaltfrequenzen optimiert. EMV-Kapazitäten (Snubber) auf Keramikbasis können abhängig von der Höhe der Überschwinger (Ripple) am Ausgang von Schaltreglern ihre Kapazität verändern und so adaptiv Emissionen verringern (Bild 13). Die Cera-Link-Kapazitäten haben gegenüber MKP-Kondensatoren eine hohe Kapazitätsdichte von 4,9 µF/cm3 sowie Strombelastbarkeit von 12 A/µF.

Bezüglich Trägersubstrate für SiC-Power-Module setzt Rogers/Curamik anstelle des herkömmlichen AL2O3 auf Si2N4, ein Material mit guter Bruchfestigkeit, geringer Rissausbreitung, guter Wärmeleitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Thermoschocks.

Ausblick

Im Trend geht die Leistungselektronik zu größerer Schaltleistung bei höheren Spannungen > 3,3 kV. Kaskadierte SiC-MOS-Bausteine können mehrere 10 kV und einige 100 A in sehr kurzen Zeiten schalten und eignen sich damit auch für den Einsatz als Leistungsimpulsgenerator (32 kV / 240 A in < 50 ns bei 2 MHz), Plasmagenerator und Teilchenbeschleuniger oder auch in der Bestrahlungstherapie und in Radar und Röntgensystemen.

Ein abschließendes Anwendungsbeispiel ist beeindruckend: Ein konventioneller Teilchenbeschleuniger mit 40 kW Leistung und 1600 m Länge könnte durch den Einsatz eines 160-kV-SiC-Impulsgenerators und einigen weiteren Modifikationen auf eine Länge von 6 m schrumpfen.

Der Beitrag basiert auf Unterlagen zum Fachforum SiC & Power von Rohm.