Fragezeichen auf einem Mikrochip auf einer Leiterplatte mit Schaltungen

Möchten Sie Siliziumkarbid (SiC) in Ihrem Design verwenden? Achten Sie darauf, dass Sie nicht auf einige der Mythen hereinfallen, die sich um diese Technologie ranken. (Bild: clipdrop by Stable Diffusion)

SiC ist nur als Ersatz für Silizium-IGBTs geeignet.

In einigen Bereichen der Design-Community herrscht der Glaube vor, dass die einzige Möglichkeit, Silizium-MOSFETs und IGBTs zu ersetzen, darin besteht, Galliumnitrid (GaN) als MOSFET-Ersatz und Siliziumkarbid (SiC) als Ersatz für IGBTs zu verwenden.

Das trifft nicht den Kern der Sache. SiC-MOSFETs mit 650 V bieten eine hervorragende Leistung, einschließlich einer wettbewerbsfähigen RDS(ON) * Qg-Leistungszahl (FOM) und einer sehr geringen Rückstromladung. Sie sind eine gute Alternative zu Silizium-MOSFETs in hart schaltenden Anwendungen wie der Totem-Pol-Leistungsfaktorkorrektur (TPPFC) oder einem synchronen Boost.

SiC ist für Hochfrequenzanwendungen wenig geeignet

Möglicherweise aufgrund seines Erfolges bei Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen und hoher Leistung, wie Wechselrichter für Elektrofahrzeuge bei 10 bis 20 kHz, glauben einige, dass SiC für Anwendungen mit höheren Frequenzen nicht gut geeignet ist. Daher sollte GaN für schnelle Schaltvorgänge verwendet werden.

Die SiC-Technologie macht weiterhin rasche Fortschritte. In jüngster Zeit konnte die Chipfläche erheblich verkleinert werden, wodurch der Hochfrequenzbetrieb (>100 kHz) verbessert wurde. Infolgedessen werden SiC-Bauelemente erfolgreich in Anwendungen wie TPPFC bei 100 kHz und Soft-Switching LLC bei 200 bis 300 kHz eingesetzt. Aufkommende Technologien wie Trench- und kaskadierte SiC-MOSFETs werden die wichtigsten FOMs weiter reduzieren und die Leistung in Hochfrequenzanwendungen verbessern.

SiC ist nur für hochwertige Nischenanwendungen geeignet.

Dieser Mythos scheint darauf zu beruhen, dass SiC in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge (EV) so erfolgreich ist. Der Bedarf an höherer Leistungsdichte und effizientem Betrieb in fast allen Anwendungsbereichen bedeutet jedoch, dass SiC-Vorteile in Konstruktionen wie Onboard-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, Photovoltaik-Modulen und anderen erneuerbaren Energien sowie im Cloud Computing weit verbreitet sind.

SiC verfügt nicht über ein voll entwickeltes Ökosystem.

Man könnte argumentieren, dass dies tatsächlich zutrifft – aber nur in dem Sinne, dass es in allen Technologiebereichen ständige Innovationen gibt. Etablierte Technologien wie Mixed-Signal-ICs und Mikroprozessoren werden auch Jahrzehnte nach ihrer Einführung weiterentwickelt.

SiC und sein Ökosystem entwickeln sich rasch weiter, während die Technologie in den Mainstream eintritt. Es gibt eine große Auswahl an kommerziell erhältlichen SiC-Bauelementen und zugehörigen Gate-Treibern, die in zahlreichen Gehäuseformen für verschiedene Anwendungen erhältlich sind. Die Wissensbasis für SiC wächst in der gesamten Branche, da die Hersteller ihre Unterstützung ausbauen, einschließlich Anwendungstechnik-Teams, Referenzdesigns, Anwendungshinweisen und Simulationsmodellen/-werkzeugen.

Die Mythen über Siliziumkarbid (SiC) beseitigen

SiC-FET-Gate-Treiber sind ziemlich komplex

Das stimmt nicht mehr und war auch nie der Fall. Dies scheint auf frühe Entwürfe zurückzuführen zu sein, bei denen viele Ingenieure versuchten, SiC-MOSFETs mit Treibern für Silizium-MOSFETs/IGBTs anzusteuern, oder ihre eigenen komplexen Glue-Schaltungen entwickelten, um sie zu steuern. Heute gibt es viele spezielle SiC-Treiber auf dem Markt, die praktische Funktionen wie negative Gate-Ansteuerung, DESAT, OCP, OTP und andere Schutzfunktionen bieten. Wenn Sie den richtigen Treiber auswählen, ist die Ansteuerung von SiC nicht schwieriger als die eines Silizium-MOSFETs.

SiC erfordert eine negative Abschalt-Gate-Spannung

Zwar verwenden viele Entwickler eine negative Abschalt-Gate-Spannung, um SiC-Bauteile vor dem "Bouncing" oder dem versehentlichen Wiedereinschalten infolge von Schalttransienten zu schützen, doch ist dies keine strikte Anforderung. In der Tat gibt es viele Beispiele für erfolgreiche SiC-Designs ohne negative Gate-Spannung.

Wie bei jedem Design sollten gute Praktiken befolgt werden. Bei SiC-MOSFETs sollte das Layout den Richtlinien zur Minimierung parasitärer Elemente folgen, und der Gate-Treiber-Sinkstrom muss hoch sein, damit das Gate fest abgehalten wird.

Gatetreiber mit isoliertem Übergang sind für alle SiC-Designs geeignet.

In einer begrenzten Anzahl von Anwendungen (z. B. TPPFC) ist es technisch korrekt, dass ein von der Sperrschicht isolierter Gate-Treiber akzeptable Ergebnisse liefern kann. Es sollte jedoch immer bedacht werden, dass galvanisch isolierte Gate-Treiber eine höhere Störfestigkeit bieten und besser mit dv/dt-Transienten an den Schaltknoten umgehen können, ohne dass es zu Fehlauslösungen kommt. Da SiC-MOSFETs schnell schalten und eine geringere Gate-Ladung (Qg) haben als entsprechende Silizium-Bauelemente, ist ein galvanisch isolierter Gate-Treiber immer eine gute Wahl für ein robustes Design – auch in Anwendungen, in denen er nicht unbedingt erforderlich ist.

SiC: Technologie, Effizienz, Miniaturisierung

Elektronik für die Zukunft - Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung, die künftige Generationen bedroht, steigt die Nachfrage nach energieeffizienten Geräten. Der Einsatz der SiC-Technologie führt zu erheblichen Energieeinsparungen und CO₂-Reduzierung. In diesem Kanal informieren wir Sie über unsere Schlüsseltechnologien, Produktionsprozesse und Dienstleistungen. Außerdem zeigen wir, wie ROHM als Unternehmen dazu beitragen will, die Welt mit unseren Produkten grüner zu machen.
(Bild: Rohm)

Elektronik für die Zukunft - Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung, die insbesondere künftige Generationen bedroht, steigt die Nachfrage nach energieeffizienten Geräten. Der Einsatz der SiC-Technologie führt zu erheblichen Energieeinsparungen und CO₂-Reduzierung. In diesem Kanal informiert ROHM über Schlüsseltechnologien, Produktionsprozesse und Dienstleistungen.

SiC ist weniger robust als Silizium-IGBTs

Das stimmt nicht, obwohl ein echter Vergleich schwierig sein kann. Die breite Bandlücke (wide bandgap) von SiC ermöglicht eine bessere Avalanche-Robustheit in SiC-MOSFETs. Das liegt daran, dass die thermisch erzeugte Ladungsträgerkonzentration von SiC-Bauelementen viel geringer ist als die von Silizium-Bauelementen.

Da SiC-Bauelemente kleinere Geometrien haben, ist ihre Kurzschlussfestigkeit geringer als die eines IGBTs. Durch die Verwendung eines geeigneten SiC-Gate-Treibers wird jedoch sichergestellt, dass der Kurzschluss erkannt und das Bauelement in einer angemessenen Zeit abgeschaltet wird, wodurch die Robustheit des Systems gewährleistet wird.

SiC-Lösungen sind zu teuer

Es herrscht nach wie vor der Eindruck, dass SiC-Lösungen teuer sind, aber das stimmt nicht, wenn man die Lösung ganzheitlich betrachtet. Wenn man einen allzu simplen Vergleich anstellt – Silizium-MOSFET gegenüber einem gleichwertigen SiC-Bauelement –, dann ergibt sich ein kleiner Preisaufschlag für das SiC-Bauelement.

Zur Veranschaulichung können wir jedoch eine typische siliziumbasierte 30-kW-Leistungslösung betrachten. Hier entfallen 90 % der Gesamtkosten auf die Induktoren und Kondensatoren (60 % bzw. 30 %), während die Halbleiterbauelemente nur 10 % der gesamten Stücklistenkosten ausmachen.

Wenn die Silizium-MOSFETs durch SiC-Schalter ersetzt werden, schrumpft die Kapazität und die Induktivität um 75 %, was die Kosten (und die Größe) erheblich senkt und somit den Kostenanstieg bei den Schaltkomponenten aufwiegt. Außerdem haben Si-Lösungen im Vergleich zu SiC einen geringeren Wirkungsgrad und benötigen daher teure und sperrige Kühlkörperlösungen. Infolgedessen haben die Gesamtkosten einer SiC-Lösung einen Punkt erreicht, an dem sie niedriger sind als die einer Siliziumlösung.

Steigende Spannungen in EV- und Solaranwendungen sind ein Problem für SiC

SiC eignet sich hervorragend für Anwendungen im Bereich von 650 V, z. B. für die Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung. Die Batteriespannung in vielen Elektrofahrzeugen steigt von 400 auf 800 V oder sogar 1.000 V, und in Photovoltaikanlagen (PV) steigt die Eingangsspannung von 600 auf 1.500 V.

Das englische Vorbild des Artikel erschien bei electronicdesign.com

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