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SiC- und GaN-IGBTs im Vergleich Das Kräftemessen in der Leistungselektronik hat begonnen

15.06.2018

Die Wide-Bandgap-Halbleitermaterialien Galliumnitrid und Siliziumkarbid versprechen die Leistungselektronik zu revolutionieren. Doch damit sind die Tage der traditionellen, siliziumbasierten Super-Junction-MOSFETs und IGBTs noch lange nicht gezählt. Das Wettrennen um die Gunst der Anwender hat gerade erst begonnen.

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Sie schalten schneller und sauberer und bieten ein besseres thermisches Verhalten als IGBTs – die Rede ist von Transistoren, die auf den Wide-Bandgap-Halbleitermaterialien (WBG) Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) basieren. Doch nach wie vor bieten Super-Junction-MOSFETs und IGBTs für viele Anwendungen eine akzeptable Performance zu einem wesentlich attraktiveren Preis. Deshalb haben siliziumbasierte Technologien in vielen preissensitiven, industriellen Anwendungen noch immer die Nase vorn – bis jetzt. Zudem befinden sich WBG-Transistoren noch in einer frühen Entwicklungsphase, so dass die ausgereiftere IGBT-Technologie höhere Schaltspannungen und -ströme als ihre jüngeren Konkurrenten zulässt.

In einigen Schlüsselanwendungen sind jedoch die Performance-Vorteile von WBG entscheidend: Zum Beispiel erfordern Elektrofahrzeuge einen höheren Wirkungsgrad (höhere Schaltfrequenz) und eine bessere thermische Performance (geringere Schaltverluste), als dies derzeit mit siliziumbasierten Technologien möglich ist. Der Gesamtwirkungsgrad eines Elektrofahrzeugs liegt derzeit bei etwa 60 Prozent bei der Umwandlung von Netzstrom in kinetische Energie des Fahrzeugs. WBG bietet die Aussicht, die Leistungsregulierung und Batterieladeeffizienz so zu verbessern, dass der Gesamtwirkungsgrad auf 72 Prozent steigt. Das bedeutet bei bestehender Batterietechnologie eine effektive Reichweitensteigerung von mehr als 20 Prozent. Für militärische oder Raumfahrtanwendungen ist die inhärente Strahlungsfestigkeit der lateralen GaN gegenüber der vertikalen Si/SiC-Konstruktion ein Vorteil.

Unterschiede im Aufbau der Technologien

Herkömmliche Leistungstransistoren bestehen aus Schichten unterschiedlich dotierter Verbindungen, die vertikal auf einem Substrat gestapelt sind. Der Strom fließt von oben nach unten durch eine Gate-Elektrode. Da SiC eine um Faktor 10 höhere Durchschlagsfestigkeit und eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium aufweist, können die Schichten dünner gestaltet werden, was geringere parasitäre Kapazitäten und schnelleres Schalten bedeutet. Ein typischer IGBT benötigt etwa 10 mJ Energie zum Ein- und 12 mJ zum Ausschalten. Diese Verluste begrenzen die Schaltfrequenz auf wenige
10 kHz. Ein äquivalenter SiC-Transistor benötigt zum Ein- und Ausschalten nur 3 mJ und erreicht eine Schaltfrequenz von 50 kHz, ohne dass der Transistor intern überhitzt.

GaN verwendet einen anderen Konstruktions- und Schaltmechanismus. Ein selbstsperrender GaN etwa ist ein Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT), bei dem Source und Drain lateral positioniert sind. Aufgrund der Kristallstruktur von GaN können Elektronen sich leicht durch sie hindurch bewegen – man spricht deshalb von einem Elektronengas. Die beiden Anschlüsse wären effektiv miteinander verbunden, wäre da nicht eine Raumladungszone unter der Gate-Elektrode. Um einen GaN-HEMT einzuschalten, muss der Verarmungsbereich „gelöscht“ werden, indem eine kleine Spannung an das Gate angelegt wird, um die Verbindung zwischen Source und Drain freizugeben. Das geschieht sehr schnell, wodurch Schaltgeschwindigkeiten von 100 kHz bis in MHz-Regionen leicht realisierbar sind. Schnelleres Schalten erlaubt es, kleinere Induktivitäten und Kondensatoren zu verwenden. Dadurch wird der Stromrichter kompakter und effizienter.

Besonderheiten beim Einsatz und EMV

Ein SiC- oder GaN-Transistor lässt sich nicht ohne Änderungen in ein existierendes IGBT-Design einsetzen. Es bestehen beispielsweise große Unterschiede zwischen den Gate-Treiberspannungen der verschiedenen Technologien. Während ein IGBT eine isolierte Versorgung von 15/-9 V benötigt, braucht ein SiC-Design der ersten Generation 20/-5 V
und Designs der zweiten Generation 15/-3 V. GaN-HEMT verlangen je nach Hersteller typischerweise 6/-0 V oder
6/-1 V. Auch der Stromverbrauch des Gate-Treibers ist unterschiedlich: Während GaN so sauber schaltet, dass 1 W ausreicht, benötigt ein IGBT zwischen 2 und 3 W. SiCs schalten schneller als IGBTs, werden aber typischerweise bei höheren Schaltfrequenzen verwendet, sodass 2 bis zu 6 W benötigt werden. Sind die Treiberspannungen zu hoch, kann der empfindliche Gate-Eingang schnell beschädigt werden. Sind die Spannungen jedoch zu niedrig, werden die Transistoren nicht vollständig verstärkt, und die Verluste werden höher sein.

Eine Kapazität von nur 10 pF zwischen den Leiterbahnen kann eine ausreichende Kopplung aufweisen, die es unmöglich macht die EMV-Vorschriften einzuhalten. Das größte Problem liegt darin, diese Koppelkapazitäten in einem komplexen Layout aufzuspüren. Häufig gibt es mehrere überlappende Störquellen. Bei den hohen Schaltfrequenzen von SiC und GaN können sich die Oberwellen über einen großen Frequenzbereich verteilen und die Erkennung von Rauschquellen erschweren. Alles was auch nur eine einzelne Störquelle eliminiert ist hilfreich. Auch die in Gate-Treiberschaltungen verwendeten isolierten DC/DC-Wandler tragen durch die in ihnen enthaltenen Oszillatoren, zu den leitungsgebundenen Emissionen bei. Hier hilft ein Blick ins Herstellerdatenblatt. Recom gibt in seinen Datenblättern Class A und Class B Filtervorschläge für seine DC/DC-Module an und verwendet in seinen Modulen nur geschirmte Spulen und Transformatoren um die abgestrahlten HF-Störungen zu minimieren.

Rasanter Fortschritt in den kommenden Jahren

Der WBG-Fortschritt ist so rasant, dass Support-Technologien kaum Schritt halten können. Controller mit kürzeren Totzeiten und Laufzeitverzögerungen müssen entwickelt und magnetische Materialien verbessert werden, um eine bessere Leistungsperformance bei hohen Schaltfrequenzen zu bieten. Zudem können hohe dv/dt-Belastungen an der Isolation die Lebensdauer limitieren, wenn nicht Produkte mit niedriger Isolationskapazität entwickelt werden. In voraussichtlich ein bis zwei Jahren wird die GaN-Technologie die Baugröße von Netzteilen massiv reduzieren. Leistungsdichten von 40 W/in2 werden bereits entwickelt; das ist etwa das zwei- bis dreifache der Leistungsdichte von herkömmlichen Si-basierten Technologien. Industrie- und Medizinkunden können eine neue Generation von AC/DC-Netzteilen erwarten, die in kleinere Gehäuse mit minimaler Wärmeentwicklung passen. Da GaN sich für emissionsarme, hocheffiziente Resonanz- oder Aktiv-Clamp-Flyback-Topologien eignet, werden schnittige neue Designs die sperrigen Netzteile ersetzen.

Referenzdesign erleichtert die Evaluierung

Um das tatsächliche Verhalten von Hochleistungs-IGBT-, SiC-, MOSFET- und Kaskoden-Schalttechnologien zu evaluieren, bietet Recom das Referenzdesign R-REF01-HB, das aus einem Halbbrückenlayout und einer vollständig isolierten Treiberstufe besteht. Es verwendet isolierte Stromversorgungen für die Low- und die High-Side-Schalttransistoren. Das Paket enthält vier Sätze verschiedene DC/DC-Wandler, die geeignete isolierte Treiberspannungen für die verschiedenen Transistortypen erzeugen. Der Anwender kann somit wählen, welche TO247- oder TO247-4L-Schalttransistoren (Kelvin-Verbindung) er vom Lieferanten seiner Wahl auswerten möchte, den passenden DC/DC-Wandler einsetzen und erhält so schnell einen Prototypen seiner Anwendung. Das Referenzdesign ist ein Grundbaustein, um Vorwärts-, Flyback-, Buck- und Boost-Topologien zu evaluieren. Die Kombination von zwei oder mehr Einheiten ermöglicht die Auswertung von Vollbrücken- und Drei-Phasen-Brückenschaltungen. Die PCB ist geeignet für hohe Schaltgeschwindigkeiten bei bis zu 1.000 V und einem Gate-Ansteuerstrom von 10 A. Der Signal Ground ist galvanisch vom Leistungskreis getrennt.

Bildergalerie

  • Die IGBT-Technologie erlaubt derzeit noch höhere Schaltspannungen und -ströme.

    Bild: Recom

  • Das Referenzdesign R-REF01-HB hilft beim Vergleich der verschiedenen Technologien.

    Bild: Recom

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