Bild 1: Im Bereich der Leistungselektronik eröffnen Siliziumkarbid-Halbleiter neue Dimensionen. (Bild: 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.“
Kurz erklärt: Wideband-gap Halbleiter Siliziumkarbid (SiC)
Der Halbleiterhersteller Rohm hat auf dem SiC & Power-Forum in Nürnberg seine Innovationen im Bereich Leistungshalbleiter vorgestellt, insbesondere im Fokus stand die SiC-Technologie. SiC-Leistungshalbleiter bieten im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumbausteinen eine höhere Schaltleistung bei geringeren Schaltverlusten. Dadurch werden weniger Bauteile und kleinere Kühlkörper benötigt, was Platzbedarf und Gewicht reduziert. SiC-Bausteine ermöglichen zudem einen Betrieb mit höheren Taktraten, was zu kleineren und leichteren Speicherinduktivitäten und -kapazitäten führt. Im Vergleich zu Galliumnitrid-HEMTs eignen sich SiC-MOSFETs besser für Anwendungen mit hohen Schaltleistungen, während GaN-HEMTs für sehr hohe Schaltfrequenzen geeignet sind. Der Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern bietet Einsparpotenziale bei Verlustwärme, Wirkungsgrad, Schaltfrequenz und Schaltungsaufwand. Rohm bietet eine breite Palette von SiC-Leistungshalbleitern sowie integrierte SiC-Leistungsmodule und passende Gate-Treiber-ICs an. Die SiC-Technologie ermöglicht signifikante Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Größe und Gewicht in verschiedenen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Hochvoltladegeräten und industriellen Motorsteuerungen.
Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid 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.
Was sind Wide-Bandgap-Halbleiter?
Wide Bandgap-Halbleiter sind Materialien, die in der Halbleitertechnologie verwendet werden und im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitern eine größere Bandlücke aufweisen. Die Bandlücke ist die Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband eines Materials und bestimmt seine elektronischen Eigenschaften.
Wide Bandgap-Halbleiter haben eine größere Bandlücke als traditionelle Halbleitermaterialien wie Silizium. Dies führt zu einigen besonderen Eigenschaften und Vorteilen:
- Hohe Durchbruchspannung: Wide Bandgap-Halbleiter können höhere Spannungen aushalten, bevor sie in den Durchbruchmodus übergehen. Dadurch sind sie für den Einsatz in Leistungselektronik-Anwendungen geeignet, bei denen hohe Spannungen und Ströme auftreten, beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Solarenergieanlagen und Stromversorgungssystemen.
- Hohe thermische Stabilität: Wide Bandgap-Halbleiter können bei hohen Temperaturen betrieben werden, ohne dass ihre Leistung beeinträchtigt wird. Dadurch sind sie ideal für Anwendungen in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder in Hochleistungsanwendungen, bei denen Wärmeentwicklung ein Problem darstellt.
- Hohe Schaltgeschwindigkeiten: Aufgrund ihrer Eigenschaften ermöglichen Wide Bandgap-Halbleiter schnelle Schaltvorgänge und bieten eine höhere Frequenzoperation. Dies ist wichtig für Anwendungen wie Leistungselektronik, drahtlose Kommunikation und Hochfrequenzverstärker.
Die bekanntesten Wide Bandgap-Halbleitermaterialien sind Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Diese Materialien finden in verschiedenen Anwendungen Anwendung, darunter Leistungselektronik, Leuchtdioden (LEDs), Hochfrequenzverstärker und drahtlose Kommunikationssysteme. Durch ihre einzigartigen Eigenschaften tragen Wide Bandgap-Halbleiter zur Entwicklung energieeffizienterer und leistungsfähigerer elektronischer Geräte und Systeme bei.
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.
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.
Wo lassen sich Wide-Bandgap-Halbleiter einsetzen?
Wide Bandgap-Halbleiter können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere dort, wo hohe Leistung, hohe Effizienz und hohe Schaltgeschwindigkeiten erforderlich sind. Hier sind einige Beispiele für ihre Anwendungsbereiche:
Leistungselektronik: Wide Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) werden in Leistungsumrichtern, Schaltnetzteilen, Frequenzumrichtern und Wechselrichtern eingesetzt. Sie bieten hohe Durchbruchspannungen und ermöglichen einen effizienteren Betrieb bei höheren Frequenzen. Dadurch können Energieverluste reduziert und die Effizienz von Stromversorgungssystemen verbessert werden.
Elektromobilität: Wide Bandgap-Halbleiter spielen eine entscheidende Rolle in der Elektromobilität. Sie werden in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen eingesetzt, um den Wirkungsgrad der Antriebssysteme zu verbessern und die Reichweite der Fahrzeuge zu erhöhen. SiC- und GaN-basierte Leistungstransistoren ermöglichen höhere Schaltfrequenzen, geringere Verluste und damit eine effizientere Nutzung der Batterieleistung.
Beleuchtungstechnik: Wide Bandgap-Halbleiter wie Galliumnitrid (GaN) werden in der LED-Beleuchtungstechnik eingesetzt. GaN-LEDs bieten eine höhere Lichtausbeute, eine längere Lebensdauer und eine bessere Farbwiedergabe im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln. Sie finden Anwendung in Haushaltsbeleuchtung, Straßenbeleuchtung, Displays und Hintergrundbeleuchtung von Fernsehern.
Hochfrequenzkommunikation: Wide Bandgap-Halbleiter ermöglichen den Bau von Hochfrequenzverstärkern, die in drahtlosen Kommunikationssystemen wie Mobilfunknetzen, WLAN, Satellitenkommunikation und Radarsystemen eingesetzt werden. Die hohen Schaltgeschwindigkeiten und die gute Leistung bei hohen Frequenzen machen SiC- und GaN-basierte Verstärker ideal für diese Anwendungen.
Solarenergie: Wide Bandgap-Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) werden in Solarwechselrichtern eingesetzt, um die Effizienz von Photovoltaikanlagen zu steigern. SiC-Transistoren können höhere Spannungen und Temperaturen bewältigen und tragen zur Reduzierung von Verlusten bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bei.
Diese Anwendungen sind nur einige Beispiele, und die Verwendung von Wide Bandgap-Halbleitern in der Industrie nimmt stetig zu. Die einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung energieeffizienterer elektronischer Systeme und tragen zur Förderung von Nachhaltigkeit und Fortschritt in verschiedenen Branchen bei.
Wo sich SiC-Leistungshalbleiter einsetzen lassen
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.
Was ist Siliziumkarbid (SiC)?
Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial, das aus den Elementen Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) besteht. Es besitzt eine Kristallstruktur ähnlich der von Diamant und ist ein Wide Bandgap-Halbleiter. Die besondere Eigenschaft von SiC liegt in seiner breiten Bandlücke, die etwa 3-mal größer ist als die von Silizium. Dadurch bietet es verschiedene Vorteile gegenüber Silizium und anderen Halbleitermaterialien.
- Wide Bandgap: Die Bandlücke von Siliziumkarbid liegt typischerweise zwischen 2,2 und 3,4 Elektronenvolt (eV), abhängig von der Kristallstruktur. Diese große Bandlücke ermöglicht den Einsatz von SiC bei höheren Spannungen und Temperaturen als Silizium, wodurch es für Anwendungen mit hoher Leistung und hohen Temperaturen geeignet ist.
- Hohe Durchbruchspannung: Siliziumkarbid weist eine hohe Durchbruchspannung auf, d.h. es kann höhere Spannungen standhalten, bevor es zu einem elektrischen Durchbruch kommt. Dadurch eignet es sich für den Einsatz in Leistungselektronik-Anwendungen wie Leistungstransistoren und Leistungsumrichtern, bei denen hohe Spannungen und Ströme auftreten.
- Hohe Wärmeleitfähigkeit: Siliziumkarbid hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was bedeutet, dass es Wärme effizient ableiten kann. Dadurch kann es bei hohen Temperaturen betrieben werden, ohne dass sich Wärmeansammlungen negativ auf seine Leistung auswirken. Dies macht es ideal für Anwendungen, bei denen Wärmeentwicklung eine Rolle spielt, wie z.B. in Leistungselektronik, Hochfrequenzverstärkern und Hochtemperaturumgebungen.
- Chemische Beständigkeit: Siliziumkarbid ist chemisch beständig gegenüber vielen aggressiven Umgebungen, einschließlich Säuren und Basen. Dadurch kann es in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden, in denen andere Materialien nicht beständig wären.
Aufgrund dieser Eigenschaften wird Siliziumkarbid in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie z.B. Leistungselektronik, Leuchtdioden (LEDs), Hochfrequenzverstärker, Solarenergieanlagen, Elektromobilität und mehr. Es trägt zur Entwicklung energieeffizienterer und leistungsfähigerer elektronischer Systeme bei und wird als vielversprechendes Material für die Zukunft der Halbleitertechnologie angesehen.
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.
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)
Was ist GaN?
GaN steht für Galliumnitrid, ein Halbleitermaterial, das aus den Elementen Gallium (Ga) und Stickstoff (N) besteht. Ähnlich wie Siliziumkarbid (SiC) ist GaN ein Wide Bandgap-Halbleiter mit einer großen Bandlücke. Es hat einige einzigartige Eigenschaften, die es für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv machen.
Hier sind einige wichtige Merkmale von Galliumnitrid (GaN):
- Wide Bandgap: GaN hat eine große Bandlücke von etwa 3,4 Elektronenvolt (eV), was es für den Einsatz bei höheren Spannungen und Temperaturen als herkömmliche Halbleiter wie Silizium geeignet macht.
- Hohe Elektronenbeweglichkeit: GaN weist eine hohe Elektronenbeweglichkeit auf, was bedeutet, dass Elektronen sich schnell und effizient durch das Material bewegen können. Dies ermöglicht eine schnellere Schaltgeschwindigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften.
- Hohe Durchbruchspannung: GaN zeigt eine hohe Durchbruchspannung, was bedeutet, dass es höhere Spannungen aushalten kann, bevor es in den Durchbruchmodus übergeht. Dadurch eignet es sich für den Einsatz in Hochleistungsschaltungen und Leistungselektronik.
- Hohe thermische Stabilität: GaN kann auch bei hohen Temperaturen effizient arbeiten, ohne dass seine Leistung beeinträchtigt wird. Dies macht es geeignet für Anwendungen, bei denen Wärmeentwicklung ein Problem darstellt.
Aufgrund dieser Eigenschaften findet GaN in verschiedenen Anwendungen Anwendung, darunter:
- Leistungselektronik: GaN wird in Leistungstransistoren und Leistungsumrichtern eingesetzt, um höhere Schaltfrequenzen, geringere Verluste und eine verbesserte Energieeffizienz zu ermöglichen. Es findet Anwendung in Stromversorgungssystemen, Leistungsumrichtern, Elektrofahrzeugen und mehr.
- Hochfrequenzverstärker: Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeiten wird GaN in Hochfrequenzverstärkern und drahtlosen Kommunikationssystemen eingesetzt. Es findet Verwendung in Mobilfunknetzen, WLAN-Systemen, Satellitenkommunikation und Radarsystemen.
- Beleuchtungstechnik: GaN-basierte LEDs bieten eine höhere Lichtausbeute, eine längere Lebensdauer und eine bessere Farbwiedergabe im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln. Sie werden in der Beleuchtungstechnik, von Haushaltsbeleuchtung bis hin zu Displays und Hintergrundbeleuchtung, eingesetzt.
- Elektronische Sensoren: GaN wird auch in der Herstellung von Hochtemperatur- und Hochleistungssensoren eingesetzt, z.B. in der Luft- und Raumfahrt oder bei der Erkennung von Gasen.
Die breiten Anwendungsmöglichkeiten von GaN machen es zu einem vielversprechenden Halbleitermaterial für die Weiterentwicklung von leistungsfähigen und energieeffizienten elektronischen Geräten und Systemen.
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).
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).
Schottky-Dioden, DMOSFET und UMOSFET – was ist das?
Schottky-Diode:
Eine Schottky-Diode ist eine spezielle Art von Diode, die aus einem Metall-Halbleiter-Kontakt besteht. Sie wird auch als Schottky-Barriere-Diode bezeichnet. Im Gegensatz zu herkömmlichen p-n-Übergangs-Dioden, die aus einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleitermaterial bestehen, verwendet eine Schottky-Diode ein Metall als Anode und einen Halbleiter (meist Silizium) als Kathode. An der Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Halbleiter entsteht eine Schottky-Barriere, die eine schnellere Schaltgeschwindigkeit und geringere Durchlassspannung bietet. Schottky-Dioden zeichnen sich durch eine niedrige Vorwärtsspannung, eine geringe Erholungszeit und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aus. Sie finden Anwendung in Hochfrequenzschaltungen, Gleichrichtern, Spannungsvervielfachern und anderen Anwendungen, bei denen eine schnelle Schaltgeschwindigkeit und niedriger Durchlassspannungsverlust wichtig sind.
DMOSFET (Double-Diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor):
Ein DMOSFET ist ein spezieller Typ von MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), der für den Einsatz in Leistungsverstärkern und Schaltanwendungen entwickelt wurde. Der DMOSFET besteht aus einer p-dotierten Schicht, die zwischen zwei n-dotierten Schichten eingebettet ist. Diese Struktur ermöglicht eine bessere Steuerung des Stromflusses und eine niedrige Durchlassspannung. DMOSFETs können hohe Ströme und hohe Spannungen handhaben und haben einen geringen Einschaltwiderstand. Sie finden Anwendung in Leistungsverstärkern, Schaltnetzteilen, Motorsteuerungen und anderen Anwendungen, die hohe Leistung erfordern.
UMOSFET (Unified-MOS Field-Effect Transistor):
Ein UMOSFET ist ein Weiterentwicklung des DMOSFETs, der einen noch niedrigeren Einschaltwiderstand und bessere Schaltleistungen bietet. UMOSFETs verwenden eine spezielle Struktur des p-dotierten Bereichs, die eine verbesserte Steuerung des Stromflusses ermöglicht. Durch diese Struktur wird der Einschaltwiderstand weiter reduziert und die Schaltgeschwindigkeit verbessert. UMOSFETs werden häufig in Schaltnetzteilen, Leistungsverstärkern, Motorsteuerungen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen niedriger Einschaltwiderstand und schnelles Schalten erforderlich sind.
Sowohl DMOSFETs als auch UMOSFETs sind Leistungstransistoren, die für den Einsatz in Leistungselektronik-Anwendungen entwickelt wurden. Sie bieten eine hohe Strom- und Spannungsfestigkeit, geringe Verluste und gute Schaltleistungen, was sie ideal für Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen macht.
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%.
SJ-MOSFET, IGBT und Hybrid-MOSFET – was ist das?
SJ-MOSFET (Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor):
Ein SJ-MOSFET ist eine spezielle Art von Leistungstransistor, der in der Leistungselektronik eingesetzt wird. Er verwendet eine Superjunction-Struktur, bei der sich p- und n-dotierte Schichten abwechseln, um den Einschaltwiderstand zu reduzieren und eine bessere Spannungsverteilung zu erreichen. SJ-MOSFETs bieten eine hohe Durchbruchspannungsfestigkeit, niedrige Einschaltwiderstände und geringe Verluste. Sie werden in Anwendungen wie Schaltnetzteilen, Motorsteuerungen und Wechselrichtern eingesetzt.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor):
Ein IGBT ist ein Leistungstransistor, der die Vorteile von MOSFETs und Bipolartransistoren kombiniert. Er besteht aus einer pnpn-Struktur, die von einer Gate-Isolierschicht umgeben ist. IGBTs haben eine hohe Durchbruchspannungsfestigkeit und eine niedrige Sättigungsspannung, ähnlich wie Bipolartransistoren. Gleichzeitig bieten sie eine einfache Steuerung des Stromflusses und eine geringe Eingangskapazität, ähnlich wie MOSFETs. IGBTs werden in Anwendungen mit hohen Spannungen und Strömen eingesetzt, wie z.B. in elektrischen Antrieben, Wechselrichtern für erneuerbare Energien, industriellen Motorsteuerungen und Schaltnetzteilen.
Hybrid-MOSFET (auch bekannt als CoolMOS):
Ein Hybrid-MOSFET oder CoolMOS ist ein spezieller MOSFET, der für einen verbesserten Energieeffizienzbetrieb entwickelt wurde. Er bietet niedrige Durchlassverluste und eine hohe Schaltgeschwindigkeit. CoolMOS-Transistoren sind durch ihre niedrige Einschaltwiderstandsfähigkeit und hohe Durchbruchspannungsfestigkeit gekennzeichnet. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Energieeffizienz erfordern, wie z.B. in Schaltnetzteilen, Beleuchtungssystemen und Audioverstärkern.
Diese verschiedenen Transistoren (SJ-MOSFET, IGBT und Hybrid-MOSFET) werden in der Leistungselektronik eingesetzt, um elektrische Leistung zu steuern und zu schalten. Jeder Typ hat seine eigenen Vorzüge und wird je nach Anwendung und Anforderungen ausgewählt.
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.
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 %.
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.
Jens Wallmann
(jwa)
