Fortschritte in der MOSFET-Technologie, bei diskreten Gehäusen und Leistungsmodulen erhöhen die Energieeffizienz und senken die Kosten in zahlreichen industriellen Systemen, zum Beispiel in der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge (EV) und in Systemen für erneuerbare Energien, wie zum Beispiel Solaranlagen. Das Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit ist jedoch eine Herausforderung für die Entwickler, die mehr Leistung liefern müssen, ohne die Größe der Solarwechselrichter oder ihre Kühlkosten zu erhöhen. Dies ist notwendig, da erschwingliches Laden besonders entscheidend für die weitere Verbreitung sowie Akzeptanz von Elektrofahrzeugen sein wird.
Die Effizienz eines EV/HEV hängt mit der Größe, dem Gewicht und den Kosten der Bordelektronik zusammen, die sich auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirken. Der Einsatz von SiC- anstelle von IGBT-Leistungsmodulen führt zu erheblichen Leistungsverbesserungen, insbesondere im Antriebswechselrichter, da dieser wesentlich zur Gesamteffizienz eines EV beiträgt. Ein leichtes Personenfahrzeug wird hauptsächlich unter niedrigen Lastbedingungen betrieben, wo die Effizienzvorteile von SiC gegenüber IGBT am deutlichsten sind. Die Größe und das Gewicht des Onboard-Ladegeräts (OBC) wirken sich ebenfalls auf die Reichweite des Fahrzeugs aus; daher muss es so klein wie möglich sein. Die höhere Schaltfrequenz der WBG-Bauelemente spielt dabei eine besonders entscheidende Rolle.
Vorteile von SiC
Um die Verluste bei der Leistungswandlung zu minimieren, sind Halbleiter-Leistungsschalter mit besten Leistungswerten erforderlich. Eine verbesserte Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis, wie sie in vilen Leistungselektronik-Anwendungen zum Einsatz kommen (IGBTs, MOSFETs und Dioden), hat zusammen mit Neuerungen bei Leistungswandlern zu erheblichen Effizienzsteigerungen geführt. Da sie jedoch an ihre theoretischen Grenzen gestoßen sind, werden sie nun in neuen Anwendungen durch Halbleiter mit besonders breiter Bandlücke (WBG) wie SiC und Galliumnitrid (GaN) ersetzt.
Die Nachfrage nach mehr Leistung, größerer Leistungsdichte und besserer Zuverlässigkeit treibt auch SiC an seine Grenzen. Durch seine WBG-Eigenschaft hält das Material höheren Spannungen (1700 bis 2000 V) stand als Silizium. Gleichzeitig weist es von Natur aus eine höhere Elektronenbeweglichkeit und Sättigungsgeschwindigkeit auf. Dadurch lässt es sich bei wesentlich höheren Frequenzen und Sperrschichttemperaturen betreiben – beides wünschenswerte Eigenschaften für Leistungsanwendungen. Darüber hinaus schalten SiC-basierte Bauelemente mit geringen Verlusten, was die Größe, das Gewicht und die Kosten der erforderlichen passiven Bauelemente verringert.
Die geringeren Leitungs- und Schaltverluste von SiC-Bauelementen verringern den Aufwand für die Wärmeableitung. Zusammen mit der Fähigkeit, bei Sperrschichttemperaturen (Tj) von bis zu 175 °C zu arbeiten, führt dies zu einem geringeren Bedarf an Wärmeschutz wie Lüftern und Kühlkörpern. Dies reduziert auch die Größe, das Gewicht und die Kosten des Systems und gewährleistet eine höhere Zuverlässigkeit bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.
Höhere Spannungen gefragt
Geringere Verluste bei einem bestimmten Leistungsniveau lassen sich durch eine höhere Spannung zur Reduzierung des Stroms erzielen. Aus diesem Grund wurde die Zwischenkreisspannung (DC-Bus) der Solarmodule in den letzten Jahren von 600 auf 1500 V erhöht. In ähnlicher Weise kann der 400-V-DC-Bus in leichten EV auf einen 800-V-Bus (und in einigen Fällen auf 1000 V) erhöht werden. In der Vergangenheit wurden in der Regel für 400-V-Busspannungen Bauelemente mit 750 V Nennspannung verwendet. Jetzt werden solche mit noch höheren Spannungswerten (1200 bis 1700 V) benötigt, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der verwendeten Systeme zu gewährleisten.
Neueste Entwicklungen bei SiC
Um diesem Bedarf an Bauelementen mit höheren Durchbruchsspannungen gerecht zu werden, hat Onsemi seine planaren 1700V-M1-EliteSiC-MOSFETs entwickelt, die für schnell schaltende Anwendungen ausgelegt sind. Der NTH4L028N170M1 ist einer der ersten Bausteine mit einer UDSS von 1700 V, einer erweiterten UGS von -15/+25 V und einem RDS(ON) von nur 28 mW.
Diese 1700V-MOSFETs können bei Sperrschichttemperaturen (Tj) von bis zu 175 °C betrieben werden, was bedeutet, dass sie sich mit einem viel kleineren oder manchmal gar keinem Kühlkörper betreiben lassen. Darüber hinaus verfügt der NTH4L028N170M1 über einen Kelvin-Source-Anschluss am vierten Pin (TO-247-4L-Gehäuse), um die Verlustleistung beim Einschalten zu verringern und das Gate-Rauschen zu reduzieren. Diese Schalter sind auch im D2PAK-7L-Gehäuse mit geringeren Gehäuseparasitären erhältlich. Ein 1700V-1000mW-SiC-MOSFET in TO-247-3L- und D2PAK-7L-Gehäusen für hochzuverlässige Hilfsstromversorgungen beim EV-Laden und im Bereich erneuerbare Energien wurde ebenfalls in die Serienfertigung überführt.
Das Unternehmen hat zudem die D1-Reihe von 1700-V-SiC-Schottky-Dioden entwickelt. Diese Nennspannung gibt den Bauelementen einen größeren Spannungsspielraum zwischen URRM und der sich wiederholenden Spitzensperrspannung. Die Bauelemente bieten eine niedrigere UFM (maximale Durchlassspannung) und einen ausgezeichneten Sperrableitstrom. Damit können Entwickler auch bei hohen Temperaturen einen stabilen Hochspannungsbetrieb erreichen. Die Diode NDSH25170A beziehungsweise NDSH10170A ist im TO-247-2-Gehäuse oder als Bare-Die erhältlich, wobei auch 100-A-Varianten (ohne Gehäuse) verfügbar sind.
Überlegungen zur Lieferkette
Ein Mangel an verfügbaren Bauelementen hat die Produktion in einigen Bereichen der Elektronikindustrie behindert. Daher ist es bei der Auswahl eines Lieferanten für eine neue Technologie von entscheidender Bedeutung, dass dieser in der Lage ist, Aufträge rechtzeitig zu erfüllen. Um die Belieferung der Kunden über einen langen Zeitraum zu gewährleisten, hat Onsemi die Firma GT Advanced Technology übernommen, um von dessen Logistik-Know-how zu profitieren. Damit kann das Unternehmen ein Angebot bieten, das Kristallzüchtung, Substrat-/Epitaxie-Schritte, Bauelemente-Fertigung, integrierte Module und diskrete Bauelemente abdeckt. Um dem erwarteten Wachstum der SiC-Anwendungen gerecht zu werden, sind Maßnahmen geplant, wie eine Vervielfachung der Kapazität seines Substratbetriebs und eine höhere Bauelemente- und Modulverfügbarkeit.
Fazit
Die Eigenschaften von SiC-Bauelementen ermöglichen es Entwicklern, die Herausforderungen bei Leistungsdichte und thermischem Design in den sich weiter entwickelnden Anwendungsbereichen Automotive, erneuerbare Energien und Industrie auf lange Zeit zu meistern. So decken zum Beispiel 1700-V-SiC-MOSFET-/Diodenen den Bedarf an Bauelementen mit höheren Durchbruchsspannungen ab. Darüber hinaus bietet die 2000-V-SiC-MOSFET-Technologie genügen Spielraum für zukünftige Anwendungen in den Bereichen Solartechnik, Halbleiterschalter und -transformatoren.
