"Die PCIM ist für uns die optimale Plattform, um der Branche zu zeigen, was mit SiC-Komponenten technisch möglich ist und welche Vorteile für den Anwender entstehen": Paul Kierstead.

„Die PCIM ist für uns die optimale Plattform, um der Branche zu zeigen, was mit SiC-Komponenten technisch möglich ist und welche Vorteile für den Anwender entstehen“: Paul Kierstead.Cree

Cree hat Leistungsmosfets auf Siliziumcarbid-Basis (SiC) in den Markt eingeführt, die die bisherigen Silizium-Produkte in der Hochvolt-Leistungselektronik ab 1200 V ersetzen dürften. Vorteil: Weil er sich mit höherer Frequenz betreiben lässt, sorgt der SiC-Mosfet CMF20120D im Vergleich zu Siliziumbausteinen für erhebliche System-Wirkungsgrad-Verbesserungen sowie kleinere Maße, ein niedrigeres Gewichts und weniger Gesamtsystemkosten. Er erreicht oder übertrifft die Schaltgeschwindigkeit von Siliziummosfets und senkt die Schaltverluste in vielen Anwendungen um bis zu 50 Prozent. „Die Einführung unseres SiC-Leistungs-Mosfets ist das Ergebnis mehrjähriger Arbeit im Bereich der Materialforschung, der Prozessentwicklung und des Bauelemente-Designs“, unterstreicht Paul Kiersteadt, Director of Marketing SiC Power Products bei Cree in Durham, USA. „Unter dem Strich bedeutet das, dass der industrieweit erste ‚ideale‘ Hochspannungs-Schaltbaustein keine Utopie mehr ist, sondern kommerziell angeboten wird und sofort für das Design-in zur Verfügung steht. Zusammen mit unseren SiC-Schottkydioden für 600 V, 650 V, 1200 V und 1700 V haben wir damit eine neue Klasse von SiC-Leistungsbausteinen geschaffen.“
Features: Der CMF20120D verfügt über eine Sperrspannung von bis zu 1200 V und einen On-Widerstand (RDS(on)) von 80 mΩ  bei 25 °C. Pluspunkt: Der On-Widerstand bleibt über den gesamten Temperaturbereich unter 100 mΩ. Aufgrund der gleichbleibenden Performance-Charakteristika bei allen Betriebsbedingungen und der Mosfetarchitektur – in Grundstellung gesperrt – ist die Komponente für Schalt-Anwendungen in der Leistungselektronik prädestiniert. Applikationsbereiche: PV-Wechselrichter, Hochspannungs-Netzteile oder Netzaufbereitungs-Einheiten.

Durch den schaltungsoptimierten Einsatz des CMF20120D SiC-Mosfets lässt sich der Wirkungsgrad der Applikation im Vergleich zu Si-basierten Komponenten steigern.

Durch den schaltungsoptimierten Einsatz des CMF20120D SiC-Mosfets lässt sich der Wirkungsgrad der Applikation im Vergleich zu Si-basierten Komponenten steigern.Cree

Neben dem niedrigen On-Widerstand glänzt der Leistungsbaustein mit weiteren Vorzügen: Im Vergleich zu Siliziummosfets oder IGBTs mit ähnlichen Kenndaten brachte es der CMF20120D in den von Cree durchgeführten Tests auf eine niedrige Gate-Ansteuerenergie von Qg < 100 nC über den empfohlen Eingangsspannungsbereich. Die Leitungsverluste werden durch die Vorwärtsspannung VF von unter 2 V bei einem Strom von 20 A minimiert. Zudem verbessert der Baustein – wiederum im Vergleich mit Silizium-IGBTs – den Systemwirkungsgrad um bis zu 2 Prozent und lässt sich mit der zwei? bis dreifachen Schaltfrequenz betreiben. Der höhere Wirkungsgrad führt zu einem niedrigeren Temperatur­niveau im Betrieb. 


Kurzinterview mit Paul Kierstead, Director of Marketing SiC Power Products bei Cree in Durham, USA.

elektronikJOURNAL: Der Leistungshalbleiter-Markt für Anwendungen, wie Antriebssteuerungen, Elektrofahrzeuge oder Windkraft wird derzeit auf 4 Mrd. US-Dollar geschätzt. Welchen Stellenwert nehmen diese Komponenten bei Cree ein und wie schätzen Sie den Markt in den nächsten 5 Jahren ein?

Paul Kierstead: Wir gehen davon aus, dass SiC-Leistungsbausteine irgendwann Si-basierte Komponenten im 600-V-Bereich und höher ersetzen werden. Das Tempo dieses Vorgangs wird von Produkt und Package in Zusammenspiel mit Volumenwachstum und den dazugehörigen wirtschaftlichen Vorteilen.

Der vermehrte Einsatz erneuerbarer Energien, die Nachfrage nach mehr Energieeffizienz in kommerzieller, Consumer- und Industrieelektronik, die Einführung von Hybrid- und Elektroautos sowie der Übergang zu Smart-Grid-Technologien wird langfristig für ein Wachstum von SiC-Komponenten im Leistungselektronikbereich führen. Wir denken, dass wir so aufgestellt sind, dass wir im Leistungselektronikmarkt der Zukunft eine wichtige Rolle spielen werden.

elektronikJOURNAL: SiC kontra Galliumnitrid. Bei Leistungskomponenten setzt Cree auf SiC; im LED- und HF-Geschäft ist GaN eine feste Größe. Wäre GaN im höheren Spannungsbereich ab 600 V für Sie auch im Leistungselektroniksegment eine Option?

Paul Kierstead: GaN hat Wide Bandgap Eigenschaften ähnlich wie SiC. Allerdings ist es meiner Ansicht nach ein nicht ganz so gutes Material für Leistungskomponenten im Spannungsbereich ab 600 V aufgrund seiner Materialfehler. Da bisjetzt kein anderes rentables GaN-Substratmaterial verfügbar ist, wird auf Siliziumsubstrat zurückgegriffen. GaN-on-Si führt allerdings zu Fehlern in der kristallinen Struktur, die erheblich höher sind als sie bei SiC auftreten. Das kann letztendlich zu Zuverlässigkeitsproblemen führen. Wie Sie festgestellt haben, verfügen wir über ausreichend Erfahrung mit beiden Materialtypen. Aufgrund dieser Erfahrung haben wir uns bei Leistungskomponenten im Spannungsbereich >=600 V für Siliziumkarbid entschieden. Das Hauptaugenmerk unserer Wettbewerber auf 600 V GaN-on-Si Bausteine zu setzen, liegt meines Erachtens mehr auf dem Kosten- als auf dem Performance-Faktor. Unsere Fortschritte hinsichtlich SiC Materialqualität, Designoptimierung sowie die Ankündigung, dass zukünftig 150mm SiC Wafer verfügbar sein werden, widerlegen das Kostenargument. Cree ist sehr gut in Hinsicht auf kommerzielle SiC-Schottky-Dioden aufgestellt und konnte nun auch entsprechende Mosfets auf den Markt bringen. Übergreifend sei aber festzuhalten, dass die Applikation den entsprechenden Gewinner küren wird.

elektronikJOURNAL: Mal ein anderes Thema – China. Das Reich der Mitte macht – um den steigenden Energiebedarf zu decken – mächtig mobil auf dem Leistungselektronikmarkt, insbesondere was die Bereiche erneuerbare Energien und Elektromobilität angeht. Was bedeutet das für die Leistungselektronikbranche und wo könnte es Probleme geben?

Paul Kierstead: Das sehr rasante Wachstum des chinesischen Leistungselektronikmarktes könnte Möglichkeit der Leistungshalbleiterhersteller beschränken, in großen Volumina zu produzieren. Darüber hinaus sind Lieferanten notwendig, die starke technische und wirtschaftliche Beziehungen zu neuen chinesischen Start-Ups aufbauen, um ihnen beim Design-In zu helfen und dabei, neue Produkte zu optimieren. Im Bereich Wide Bandgap Leistungshalbleiter sehen wir derzeit kein chinesisches Unternehmen, dass sich kurzfristig als ernstzunehmender Konkurrent etablieren könnte. Ressourcen, Expertise und Erfahrungen sind einfach noch begrenzt.