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Eckdaten

Neben SiC-Halbleitern, die inzwischen eine erhöhte Marktakzeptanz erreicht haben und mit ihren Materialeigenschaften überzeugen, ergänzen Silizium-basierte Leistungselemente das Angebot sinnvoll, um den vielfältigen Anforderungen sowohl in der Kombination als auch komplementär zu SiC gerecht werden zu können. Das Ziel muss schließlich immer sein, die bestmögliche Lösung für die jeweilige Anforderung bereitzustellen, unabhängig auf welcher technologischen Basis.

Bei der Entwicklung von Windkraftanlagen, Photovoltaiksystemen und Stromversorgungen kommt der verlustarmen Leistungselektronik eine besondere Bedeutung zu. Das hat die Materialforschung in diesem Bereich vorangetrieben und neue Werkstoffe wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) hervorgebracht. Die neuen Bausteine verfügen über bessere, bisher nicht erreichbare Stromtragfähigkeiten und Sperrspannungen. Rohm forciert die Massenproduktion von SiC-Leistungshalbleitern beständig und auch im Bereich der konventionellen Silizium-Leistungsbauelemente entwickelt das Unternehmen Hybrid-Produkte, um deren gemeinsame Stärken bestmöglich zu nutzen, angefangen bei diskreten Halbleitern bis hin zu ICs, die weitere Innovationen erleichtern sollen.

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Rohm

SiC-Leistungsbausteine sind aus Siliziumkarbid, einem Verbindungshalbleiter aus Kohlenstoff und Silizium zusammengesetzt. SiC weist eine zehnmal höhere dielektrische Durchbruchsfeldstärke auf als Si. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Durchbruchspannung mit einer dünnen Drift-Schicht und mit hoher Dotierungskonzentration erreichen. Lange schon wusste man von den überlegenen Eigenschaften und der Leistungsfähigkeit, dennoch dauerte es, bis sich die Bausteine im Markt etablierten. Inzwischen verbreitete sich SiC zunehmend, was auf verschiedenen Faktoren beruht. Zum einen ließen sich Materialdefekte durch die verbesserte Qualität der Substrate drastisch reduzieren und gleichzeitig war es möglich, die Wafergrößen zu erhöhen. Verglichen mit Silizium erfolgte die SiC-Baustein-Produktion früher mit relativ kleinen Wafern. Für Entwickler hat die zunehmende Adaption zahlreiche Vorteile: Bei höherer Spannungsdichte ist es gleichzeitig möglich, die Bausteingröße zu reduzieren. Weiterhin ist der Baustein wesentlich temperaturbeständiger, wodurch sich Schaltverluste minimieren. Kleinere Bauteile mit geringerem Gewicht sowie weniger Komponenten beim Design und eine vereinfachte Kühlung sind die Vorteile für die Endanwendung. Das bringt nicht nur Nutzen in technologischer Hinsicht sondern macht das Material auch kommerziell attraktiv.

Bild 1: SiC-Bausteine erfahren eine immer größere Akzeptanz in wachsenden Anwendungsfeldern.

Bild 1: SiC-Bausteine erfahren eine immer größere Akzeptanz in wachsenden Anwendungsfeldern.Rohm

Einige Anwendungsbereiche, die durch den Einsatz von SiC-Bausteinen profitieren können (einige davon sind noch in der Entwicklungsphase) sind Haushaltsgroßgeräte, Wohnbereichs- und Consumer-Applikationen wie Computer-Netzteile, Solar- und Klimaanlagen. Im Industrie-Bereich ergeben sich Vorteile für Rechenzentren, UPS, Roboter-Liefersysteme in den Fabriken, Induktionsheizungen, Hochfrequenzstromversorgungen und Solaranlagen für die gewerbliche Nutzung wie zum Beispiel in Solarkraftwerken. In öffentlichen Bereichen und im Gewerbe ließen sich Elektroautos (On-Board-Ladegeräte), schnelle Ladestationen, Generatoren sowie medizinische Diagnosegeräte optimieren.

SiC-Schottky-Dioden

Mehr als ein Jahrzehnt ist inzwischen vergangen, seit die weltweit ersten SiC-Schottky-Dioden im Jahr 2001 produziert wurden. Die inzwischen zweite Generation der SiC-SBDs mit einer im Vergleich zu älteren Produkten der ersten Generation reduzierten Durchlassspannung um 0,15 V bietet gleichzeitig äußerst kurze Reverse-Recovery-Zeiten (Bild 2).

Bild 2: SiC-Schottky-Barrier-Dioden: Vergleich der Durchlassspannungen der ersten und zweiten Generation (650 V/10 A).

Bild 2: SiC-Schottky-Barrier-Dioden: Vergleich der Durchlassspannungen der ersten und zweiten Generation (650 V/10 A).Rohm

Im Vergleich zu Silizium Fast-Recovery-Dioden (FRD) lassen sich Sperrverzögerungsverluste signifikant vermindern, daher kommen SiC-SBDs in Hochfrequenzschaltungen in vielfältigen Bereichen zum Einsatz, angefangen bei Haushaltsgroßgeräten bis hin zu Industrieanlagen (Bild 3). Bei Rohm sind beispielsweise zwei Durchbruchspannungen, 650 und 1200 V, in zahlreichen Gehäusen, einschließlich TO-220 (isoliert / nicht isoliert), TO-247 und D2PAK verfügbar. Eine ebenfalls erhältliche AEC-Q101-konforme Linie findet immer häufiger Verwendung in Ladeschaltungen für Elektro- und Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge. Nachdem sich die Durchbruchspannung von SiC-Schottky-Dioden zunehmend erhöht und inzwischen 1700 V erreicht hat, eröffnen sich nun Möglichkeiten für SiC-SBDs in Single-Die-Version mit Stromtragfähigkeiten bis 50 A.

Bild 3: Vergleich der Sperrverzögerungsverluste zwischen FRD und SiC-Schottky-Barrier-Dioden (650 V/10 A).

Bild 3: Vergleich der Sperrverzögerungsverluste zwischen FRD und SiC-Schottky-Barrier-Dioden (650 V/10 A).

SiC-MOSFETs in der Massenproduktion

Verglichen mit herkömmlichen Schottky-Dioden hatten SiC-MOSFETs aufgrund des Stromflusses der Body-Diode Nachteile durch die Degradierung beziehungsweise den MOSFET-Widerstand und die erhöhte Durchlassspannung der Body-Diode, was insbesondere während der Massenproduktion zu Zuverlässigkeitsproblemen führte. Rohm konnte die Problematik der Prozesse, hervorgerufen durch Kristalldefekte, sowie die Bausteinstruktur entscheidend verbessern und startete 2010 erfolgreich die erste Massenproduktion von SiC-MOSFETs. Derzeit sind 650- und 1200-V-Produkte mit erhöhter Durchbruchspannung und geringem Widerstand pro Chipfläche am Markt.

Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-IGBTs, die ein Hochspannungs-Schaltelement verwenden, wird der Schaltverlust, da kein Stromschweif auftritt, um mehr als das 5-fache reduziert, was durch eine höhere Antriebsfrequenz (etwa durch kleinere Filter und Kühlmechanismen) und verbesserte Tragfähigkeit und Leistungsumwandlung bei reduzierter Zellendichte zu einer weiteren Miniaturisierung beitragen kann (Bild 4). Weiterhin arbeitet das Unternehmen daran, auf Basis der Trench-Struktur Bausteine mit niedrigeren Einschaltwiderständen im Markt einzuführen. Der Trench-Gate-SiC-MOSFET bietet sehr gute Voraussetzungen, um Größe, thermische Eigenschaften, Leistungsdichte und Performance von Wechselrichtern zu verbessern und eine neue Generation von Umrichtersystemen zu realisieren. Diese erkennbaren Vorteile führen zu weiter sinkenden Chip-Kosten und erschließen neue Einsatzbereiche für SiC, beispielsweise im Bereich erneuerbare Energien.

Bild 4: Vergleich der Schaltverluste zwischen Silizium-IGBTs und SiC-MOSFETs.

Bild 4: Vergleich der Schaltverluste zwischen Silizium-IGBTs und SiC-MOSFETs.Rohm

SiC-Module mit eingebauten Power-Elementen

Das erste „vollständige“ SiC-Modul mit eingebauten Power-Elementen ausschließlich aus SiC ging 2012 als erstes am Markt in die Massenproduktion. Rohm bietet Module mit 1200 V für 120 bis 180 A Nennleistung, gefertigt im hauseigenen Produktionssystem. Diese haben vor kurzem mit einem Modul in Hochstromausführung von 1200 V/300 A eine Ergänzung erhalten, weitere werden folgen (Bild 5). Bei der Fertigung kommt im Interesse einer hohen Zuverlässigkeit eine Struktur zur Abschwächung des elektrischen Felds zusammen mit einer neuartigen Screening-Methode zum Einsatz. Im Verbund mit diskreten SiC-MOSFETs werden diese Module bereits breit eingesetzt, vor allem in industriellen Anwendungen wie Solarstromanlagen und Hochfrequenz-Stromversorgungen.

Bild 5: Die SiC Power-Module.

Bild 5: Die SiC Power-Module.Rohm

Silizium-IGBT-Leistungsbausteine

SiC-Leistungsbausteine mit geringen Schaltverlusten sind besonders effektiv in Bereichen, die sowohl eine hohe Durchbruchspannung als auch einen Hochfrequenzbetrieb erforderlich machen. Allerdings gibt es noch eine Reihe von Bereichen, in denen bevorzugt Silizium-Leistungsbausteine aufgrund ihres vorteilhaften Preises zum Einsatz kommen. Leistungsbausteine aus diesem Feld sollten daher nicht komplett vernachlässigt werden. Es gibt interessante neue Konzepte für vorteilhafte technische Lösungen, auch in Kombination mit Siliziumkarbid. „Hybrid-MOS“ aus dem Segment der Silizium-Leistungsbausteine verbinden beispielsweise die besten Eigenschaften von MOSFETs und IGBTs.

Individuelle IGBTs

Im Moment sind zwei Arten von IGBT-Bausteinen mit 650 V Durchbruchspannung von Rohm auf dem Markt. Die RGTH-Serie bietet eine geringe Sättigungsspannungscharakteristik (1,6 V typisch bei Nennstrom) und ist durch ihre Hochgeschwindigkeits-Schaltleistung für Wandler-Schaltungen konzipiert. Dadurch sind sie prädestiniert für Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungen (PFC) in Schaltnetzteilen, Boost-Schaltungen für Solarstromgenerator-Stromanlagen und dergleichen. Die RGT-Serie liefert niedrige Sättigungsspannungs-Eigenschaften zusammen mit Kurzschlussbelastbarkeit (5 µs), insbesondere geeignet für Inverter-Schaltungen in Klimaanlagen und Haushaltsgroßgeräten wie Waschmaschinen, Solarstromanlagen und Schweißgeräten. Beide Serien beinhalten optional eine Ultra-High-Speed-Soft Recovery FRD. AEC-Q101-konforme Produkte mit einer Durchbruchspannung von 600 und 1200 V sind in der Entwicklung.

Ignition-IGBT

Bei Zünd-IGBTs sind Spannungseigenschaften mit geringer Sättigung zusätzlich zu der erforderlichen „Avalanche-Festigkeit“ wichtig (derzeit 250 mJ bei 25 °C). Sie sind im D-PAK-Gehäuse erhältlich und entsprechen dem AEC-Q101-Standard für die Automobilsicherheit. Es gibt Produkte mit einer Kollektor-Emitter-Schutz-Spannung von 430 V ±30, und 560 V ±30. Ein Augenmerk liegt dabei auf der Entwicklung und Umsetzung eines Zünder-IGBT-IPM mit integriertem Treiber-IC in einem einzigen Gehäuse.

Intelligent Power Modules (IPM)

Bild 6: Die hochfunktionalen, integrativen IGBT-IPMs (Intelligent Power Modules).

Bild 6: Die hochfunktionalen, integrativen IGBT-IPMs (Intelligent Power Modules).Rohm

Anwendungen mit eingebauten Antrieben verlangen generell nach Kompaktheit, einem hohen Integrationsgrad und Zuverlässigkeit. Langlebigkeit auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen ist eine weitere Forderung. Hochfunktionale, integrative Bauelemente wie IPMs (Intelligent Power Modules), die Gatetreiber, Bootstrap-Dioden, IGBTs beziehungsweise MOSFETs, Freilaufdioden sowie verschiedene Schutzfunktionen in einem kompakten Gehäuse enthalten, sind eine geeignete Lösung. Solche IPMs, basierend auf der IGBT-Technologie von Rohm mit niedriger Sättigungsspannungscharakteristik erzielen hohe Energieeffizienz und Zuverlässigkeit (Bild 6). Zusätzlich zu den IGBT-basierenden IPMs gibt es auch MOSFET-basierte IPMs, welche die proprietären Super-Junction-MOSFETs mit niedrigem Einschaltwiderstand integrieren und damit vor allem bei höheren Schaltfrequenzen ein verbessertes Verhalten zeigen.

Bild 7: Serien für unterschiedliche Trägerfrequenzen.

Bild 7: Serien für unterschiedliche Trägerfrequenzen.Rohm

Die IPMs beinhalten multiple Schutzfunktionen, wie UVLO, Kurzschluss- und Unterspannungsschutz für die potenzialfreien Stromversorgungen, einen Fehlerausgang und Temperaturerfassung. Zudem weist das isolierte Keramikgehäuse einen äußerst geringen thermischen Widerstand auf. Darüber hinaus verfügen die IGBT-Versionen über eine Freilauf-Diode zur Vermeidung von Spannungsspitzen. Optimiert sind die Module für Haushaltsgroßgeräte und industrielle Motorsteuerungen. Eine spezielle „Low-Speed-Schaltantrieb-Serie“ mit reduzierter Sättigungsspannung VCEsat eignet sich für Antriebsvorgänge bei niedrigen Trägerfrequenzen (4 bis 6 kHz); eine Hochgeschwindigkeits-Schaltantrieb-Serie reduziert die Schaltverluste, sodass die Kompatibilität mit hohen Trägerfrequenz-Antrieben (15 bis 20 kHz) gewährleistet ist (Bild 7). Entwickler von weißer Ware und Industriemotoren erhalten hierdurch eine Vielzahl kosteneffizienter Designoptionen.

Jochen Hüskens

Produkt Marketing Manager, Rohm Semiconductor.

Raimund Wagner

Produkt Marketing Manager, Rohm Semiconductor.

(ah)

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