Durch die Verwendung von SiC-Wechselrichter und  Umrichter gehen die Schaltverluste um 85 Prozent zurück.

Durch die Verwendung von SiC-Wechselrichter und Umrichter gehen die Schaltverluste um 85 Prozent zurück. Rohm

Die Verwendung von SiC-Wechselrichtern und ‑Umrichtern für die Leistungsumwandlung in industriellen Ausrüstungen bringt gegenüber dem Einsatz typischer siliziumbasierter IGBT-Module eine ganze Reihe Vorteile mit sich. Unter anderem gehen die Schaltverluste um 85 Prozent zurück, und das Volumen ist um rund 50 Prozent  geringer als bei konventionellen Si-IGBT-Modulen der 400-A-Klasse. Die geringere Verlustleistung senkt außerdem die Wärmeentwicklung, so dass kleinere und weniger komplexe Kühlvorrichtungen verwendet werden können. All dies trägt zur Miniaturisierung der Endprodukte bei. Erwartet wird außerdem, dass die neuen Module einen entscheidenden Beitrag zum globalen Umweltschutz leisten werden, speziell im Hinblick auf die Herausforderungen, die Treibhausgas-Emissionen und Rohstoffverknappung mit sich bringen.

Siliziumkarbid ist in seinen Materialeigenschaften (zum Beispiel geringere Wandlungsverluste) dem Silizium (Si) überlegen. Bisher geht ein großer Teil der Energie auf dem Weg von der Erzeugung zum Verbraucher verloren, sei es bei der Wandlung oder bei der Verteilung an die einzelnen Anwendungen. Aus diesem Grund arbeitet Rohm schon seit mehreren Jahren an der Entwicklung von SiC-Produkten und konnte 2010 als erster Anbieter weltweit die erfolgreiche Massenproduktion von SiC-MOSFETs vermelden.

Hohes Zuverlässigkeitsniveau

Bisher unmöglich war dagegen trotz erheblicher Anstrengungen verschiedener Halbleiterhersteller die Entwicklung reiner SiC-Module für die Starkstromtechnik. Die Ursache hierfür war die fragwürdige Zuverlässigkeit dieser Bauelemente bei hohen Temperaturen. Durch die Entwicklung spezieller Selektionsmethoden und Defektunterdrückungs-Technologien, die ein hohes Zuverlässigkeitsniveau garantieren, ließ sich dieses Problem lösen. Hinzu kam ein Kontrollsystem, das eine Verschlechterung der Eigenschaften bei hohen Temperaturen (bis zu 1700 °C) unterbindet und es möglich macht, das industrieweit erste System für die Massenproduktion von SiC-Power-Modulen zu realisieren.

Die Module enthalten eine neuesten technischen Erkenntnissen entsprechende Kombination aus SiC-Schottkydiode und SiC-MOSFET. Dieses Duo reduziert die Verluste bei der Leistungsumwandlung gegenüber konventionellen IGBT-Modulen aus Silizium um 85 Prozent. Darüber hinaus ermöglichen die SiC-Bausteine den Betrieb mit Schaltfrequenzen von mindestens 100 kHz, also dem Zehnfachen von IGBT-Modulen. Obwohl die Module für 100 A spezifiziert sind, sind sie dank ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit, ihrer geringen Verluste und ihrer guten Wärmeentwicklungs-Eigenschaften ein sehr guter Ersatz für Si-IGBT-Module mit 200 bis 400 A Nennstrom. Durch den Ersatz konventioneller IGBTs der 400-A-Klasse durch die neuen, kompakten und flachen Module ist es möglich, das Schaltungsvolumen um 50 Prozent zu reduzieren. Die Tatsache, dass die geringere Wärmeentwicklung weniger Kühlmaßnahmen erfordert, leistet außerdem einen entscheidenden Beitrag zur Miniaturisierung der Endprodukte.

Terminologie

  • IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Ein Bipolartransistor, der ein MOSFET mit isolierter Gate-Elektrode enthält.

  • MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Dieser gängigste FET-Typ wird hauptsächlich als Schaltelement verwendet.

  • Schottkydiode

Diese Diode verdankt ihre Gleichrichterwirkung einem Metall-Halbleiterübergang (Schottky-Übergang). Der Ladungstransport erfolgt ohne Beteiligung von Minoritätsträger mit Speichereffekt, so dass sich die Schottkydiode durch sehr gute Hochfrequenz-Eigenschaften auszeichnet.