SiC-MOSFETs mit Temperaturstabilität für mehr Power

Siliziumkarbid (SiC) hat sich in den letzten Jahren von einer Spezialtechnologie zu einem zentralen Baustein moderner Leistungselektronik entwickelt. 2024 stellte Nexperia die ersten eigenen Siliziumkarbid-(SiC-)MOSFETs vor um der wachsende Nachfrage nach effizienten Schaltbauelementen gerecht zu werden. Immer häufiger wird SiC-Technologie in Anwendungen wie Wechselrichtern für Photovoltaik (PV), Elektrofahrzeugen (EV) und industriellen Stromversorgungssystemen eingesetzt. Bei diesen Anwendungen ist eine bessere thermische Leistung und höhere Leistungsdichte entscheidend. 

Leistungswandler: kleiner, effizienter, modularer

Aktuelle Leistungswandler werden kompakter, leistungsfähiger und funktionaler. Neue Halbleitermaterialien, intelligente Systeme und anpassbare Verbindungstechnik prägen die nächste Entwicklungsstufe in der Leistungselektronik.

SiC-MOSFETs sind insbesondere für die Automobilindustrie wichtig, weil sie eine höhere Effizienz und schnellere Schaltvorgänge in Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen ermöglichen und so Energieverluste reduzieren. Da sie höhere Spannungen und Temperaturen verarbeiten können, ermöglichen sie auch kleinere, leichtere und zuverlässigere Systeme, wodurch die Reichweite erhöht und die Gesamtleistung des Fahrzeugs verbessert wird. Die SiC-Produktpalette von Nexperia wurde seit Markteinführung um mehrere R_DS(on)-Klassen, verschiedene Gehäuseoptionen, darunter das für den Automobilbereich qualifizierte D²PAK, und höhere Nennspannungen erweitert. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Bauteileigenschaften, wie einen temperaturstabilen Einschaltwiderstand (R_DS(on)) und das Wärmemanagement von Gehäusen – und betrachtet, wie diese sich in breitere Trends beim Design von Stromversorgungssystemen und bei Beschaffungsstrategien einordnen lassen.

R_DS(on)-Stabilität: Warum SiC-MOSFETs bei 175 °C effizient bleiben

SiC-MOSFETs mit niedrigem R_DS(on) verringern Leistungsverluste in Leistungselektroniksystemen, was zur Folge hat, dass sie höheren Strömen bei höherer Schaltfrequenz standhalten können und somit eine höhere Leistungsdichte ermöglichen. Eine bemerkenswerte weitere Eigenschaft der SiC-MOSFETs von Nexperia gegenüber Bauelementen anderer SiC-Hersteller ist jedoch, dass sie einen äußerst stabilen R_DS(on) aufweisen (Bild 1), insbesondere in Situationen mit hoher Belastung der Anwendung, wenn die Sperrschichttemperatur des SiC-MOSFETs ansteigt. Bei einem SiC-MOSFET von Nexperia mit einem R_DS(on) = 40 mΩ bei 25 °C steigt dieser Wert beispielsweise nur um den Faktor 1,5 (auf ca. 60 mΩ), wenn die Betriebstemperatur auf 175 °C ansteigt. Dies ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber anderen Konkurrenzprodukten, bei denen der R_DS(on) in der Regel um das Doppelte auf 80 mΩ oder sogar mehr ansteigt. Das bedeutet, dass sie bei erhöhten Temperaturen nicht demselben Strom standhalten, obwohl sie bei 25 °C gleich bewertet sind. Besonders vorteilhaft ist dies bei Anwendungen wie On-Board-Charger (OBC) in Elektrofahrzeugen, die eine typische Schaltfrequenz von 60 kHz oder höher aufweisen.

Infolgedessen muss das Rating von Konkurrenzprodukten im Vergleich zu den SiC-MOSFETs von Nexperia für den Einsatz bei höheren Temperaturen heruntergestuft werden. Dank der überlegenen Temperaturstabilität der SiC-Schaltelemente von Nexperia können Ingenieure bei Verwendung desselben R_DS(on) (im Vergleich zu ähnlich bewerteten Konkurrenzprodukten) höhere Wandlerleistungen erzielen. Dies ist in Bild 2 dargestellt, die die Messergebnisse eines hartschaltenden Abwärtswandlers zeigt, der bei 800 V bis 400 V mit einer Schaltfrequenz von 64 kHz in einem D²PAK-7-Pin-Gehäuse betrieben wird. Die höhere Effizienz des Nexperia Produkts kann durch die höhere Stabilität länger aufrecht erhalten werden, was dem Anwender ermöglicht eine höhere Ausgangleistung bei höherer Effizienz zu erzielen.

Bild 3 zeigt, wie Entwickler alternativ eine kostengünstigere Stromversorgung (bei 25 °C) aus demselben Wandler erzielen können, wenn sie ein Nexperia SiC-Schaltelement mit einem höheren R_DS(on)-Wert verwenden. In diesem Fall ist ein Nexperia-Produkt mit 60 mΩ mit einem 40 mΩ Produkt eines Marktbegleiters verglichen worden. Trotz des unterschiedlichen Start Einschaltwiderstands wird ein höherer Wirkungsgrad durch das Nexperia-Produkt erzielt. Zurückzuführen ist dies erneut auf den Temperaturstabilitätsvorteil der Nexperia-SiC-MOSFET-Technologie.

Die oberseitige Kühlung der nächsten Generation bietet Entwicklern noch mehr Freiraum

Während die mit D²PAK-SiC-MOSFETs erreichbare Leistungsstufe bereits beeindruckend ist, lassen sich jedoch mit Schaltelementen im Nexperia X.PAK, dem oberseitig gekühlten Gehäuse (Top-Side Cooling – TSC) der nächsten Generation, noch höhere Leistungsstufen erzielen. Diese haben denselben Chip, nutzen jedoch die oberseitige Kühlung, indem sie den thermischen Stapel optimieren und die Kühlung über die Leiterplatte, auf der ein Bauteil montiert ist, die bei herkömmlichen SMD-Bauteilen mit unterseitiger Kühlung üblich ist, überflüssig machen.

Während beispielsweise ein 40-mΩ-D²PAK-MOSFET in Fall der 800-V- zu 400-V-Wandlung bei einer Wandlerleistung von 7,5 kW eine Temperatur von 115 °C erreicht, bleibt ein TSC-Bauteil mit identischer Chiptechnologie und Chipgröße bei einer viel niedrigeren Temperatur von nur 75 °C, was einer Verringerung von bis zu 40 °C entspricht (Bild 4). Die höhere Kühleffizienz können Ingenieure vielseitig für die Optimierung ihre leistungselektronische Anwendung ausnutzen.

Beispielsweise führt die höhere Leistung des Systems mit TSC-Bauteilen bei gleichem Bauraum zu höherer Leistungsdichte. Oder der Kühlköper wird entsprechend verkleinert, sollte die Zielleistung des Wandlers ausreichend sein. Beides führt zur Erhöhung der Leistungsdichte und die Verkleinerung des Kühlkörpers zu Kostenvorteilen. Alternativ haben Entwickler die Möglichkeit, die Schaltfrequenz in ihren Ladegeräten zu erhöhen und dadurch den Vorteil kleinerer passiver Komponenten (insbesondere Magnetkomponenten) zu nutzen. Kleinere passive Komponenten tragen dazu bei, Größe, Gewicht und Kosten der gesamten Ladelösung zu reduzieren – ein außerordentlich wichtiger Aspekt bei EV-Konstruktionen mit begrenztem Platz, die mit Batterien mit begrenzter Ladekapazität betrieben werden.

So profitieren EV- und PV-Anwendungen von temperaturstabiler SiC-Technologie

Ein weiterer Vorteil von SiC-MOSFET-Schaltelementen mit höherer Strombelastbarkeit besteht darin, dass sie weniger Wärme erzeugen, was die Lebensdauer und Zuverlässigkeit in kostspieligen Langzeitanwendungen wie Elektrofahrzeugen und PV-Anlagen verbessert. Bei Anwendungen mit geringerer Leistung haben Entwickler darüber hinaus die Möglichkeit, MOSFETs mit einem höheren R_DS(on)-Wert zu verwenden, die in der Regel einen kleineren Chip haben und daher eine kostengünstigere Lösung bieten können.

E-Mobilitäts-Know-how trifft auf SiC-Wechselrichter

Siliziumkarbid-Wechselrichter ermöglichen kompakte, effiziente Antriebssysteme für die E-Mobilität. Sie senken den Kühlbedarf, steigern die Reichweite und verkürzen Entwicklungszeiten – ideal für flexible, modulare Fahrzeugarchitekturen.

Mike Sandyck

Wachstumsmarkt Siliziumkarbid: Anwendungen von EV bis Mining

Die drei wichtigsten Märkte für Siliziumkarbid sind derzeit Elektrofahrzeuge, Rechenzentren für KI-Anwendungen und die Umwandlung erneuerbarer Energien. Zu den aufstrebenden Märkten für diese Bauelemente gehören jedoch auch Ausrüstungen wie Schwerlastfahrzeuge, die im Bauwesen und Bergbau eingesetzt werden. Bei diesen Maschinen ist es wünschenswert, den erforderlichen Ladeaufwand zu minimieren, da dieser ihre Einsatzzeit einschränkt. SiC-MOSFETs ermöglichen eine höhere Ladeleistung, sodass diese Maschinen ihre Batterien schneller und auch kosteneffizienter aufladen können. SiC-MOSFETs werden auch zunehmend in Schwerindustrie-Umgebungen mit großen motorbasierten Systemen und anderen Anwendungen mit einem Dauereinsatzprofil wie Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) eingesetzt werden. Im Wesentlichen können SiC-MOSFETs in stromintensiven Anwendungsfällen einen Mehrwert bieten, in denen aufgrund hoher Energiekosten die Gesamtbetriebskosten immer wichtiger werden. Da die Daten zur Zuverlässigkeit von SiC-MOSFETs über die gesamte Lebensdauer immer umfangreicher werden, werden diese Bauelemente immer häufiger in Luftfahrtsystemen eingesetzt werden, um den CO₂-Fußabdruck von Flugzeugen zu reduzieren.

Fazit

Da sich die Leistungselektronik in Bereichen wie Mobilität, erneuerbare Energien und industrielle Automatisierung immer weiterentwickelt, halten Ingenieure nach Komponententechnologien Ausschau, die ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Versorgungssicherheit und Designflexibilität bieten. Die Stabilität des R_DS(on)-Betriebstemperaturprofils, die oberseitige Kühlung und der erweiterte Spannungsbereich des Nexperia SiC-Portfolios belegen, wie Fortschritte auf Ebene der Bauelemente zu echten Designvorteilen führen können. Mit zunehmender Verbreitung werden die kontinuierliche Zusammenarbeit in der Branche und transparente Zuverlässigkeitsdaten entscheidend sein, um das volle Potenzial der vielseitigen SiC-Technologie in Systemen der nächsten Generation auszuschöpfen. (na)