Fuji Electric Europe GmbH

Die IGBT-Module der X-Serie gibt es bereits in der 7. Generation.

Bild: Fuji Electric Europe
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Si oder SiC Silizium-Karbid als Alternative

22.10.2015

Leistungshalbleitern kommt eine wichtige Rolle bei der effizienteren Nutzung elektrischer Energie zu. Silizium-Karbid ist eines der Materialien, durch das die bisher eingesetzten Silizium-Bauelemente ersetzt werden könnten. Ein Abgesang auf Silizium ist allerdings verfrüht.

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Immer schneller steigt der weltweite Energieverbrauch. Effizienter Umgang mit Energie ist deswegen gefragt. Nicht nur der Transport auf Straße, Schiene, zu Wasser und in der Luft muss effizienter werden, sondern auch der industrielle Umgang mit Energie. Das schließt die Gewinnung, Verteilung und in besonderem Maße auch die Produktion von Wirtschaftsgütern mit ein. Dabei ist seit Langem der Einsatz von elektrischer Energie unverzichtbar und die Abhängigkeit davon wird weiter
wachsen.

Hier kommen Leistungshalbleiter ins Spiel. Sie ermöglichen den sinnvollen und effizienten Einsatz elektrischer Energie. Leistungshalbleiter gibt es in unterschiedlichen Bauweisen, zum Beispiel in bipolarer Technologie oder als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) in Modul-Bauweise. Der Einsatz von IGBT-Modulen ermöglicht bei vielen Anwendungen eine hohe Effizienz. So lassen sich etwa elektronische Motor-Steuerungen, Solar-Wechselrichter, Wind-Converter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit Wirkungsgraden von weit über 90 Prozent realisieren.

Der weitaus größte Spareffekt ergibt sich allerdings daraus, elektrische Ausrüstungen geregelt zu betreiben und nicht nur am starren Netz; den Energiefluss also dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. Heutige Systeme erledigen genau das mit erstaunlicher Zuverlässigkeit. Die erreichte Effizienz macht deren Einsatz auch finanziell interessant. Zu verdanken ist das vor allem der Performance aktueller Leistungshalbleiter, die diese Fortschritte erst ermöglichen. Heutige Leistungshalbleiter weisen elektrische Eigenschaften auf, von denen Ingenieure vor 20 Jahren nicht zu träumen wagten. Das gilt sowohl für ihre geringe Verlustleistung, als auch für ihre Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Vielfältigkeit.

Diese Eigenschaften erlauben unter anderem den Einsatz elektronischer Systeme unter schwersten Umweltbedingungen, wie extremen Temperaturen, starker Vibration und hoher Verschmutzung; und das für 20 Jahre oder länger. Voraussetzungen, ohne die beispielsweise ein Einsatz in Elektrofahrzeugen nicht denkbar wäre. Trotz dieser Fortschritte besteht weiterhin ein großer Bedarf an neuen Leistungshalbleitern. Unter dem Titel Eco-Design fordern Politik und Markt noch effizientere und leistungsfähigere Bauelemente. Kompakter, zuverlässiger, leistungsstärker und universeller sollen sie sein. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, verfolgt Fuji Electric unterschiedliche Ansätze bei der Halbleiterentwicklung.

Einerseits werden auf Silizium (Si) basierende IGBT-Module weiterentwickelt. Die mittlerweile 7. Generation von Si-IGBTs produziert Fuji Electric weiterhin in den Standard-Industrie-Bauformen und mit 600, 1.200 und 1.700 V Sperrspannung. Gegenüber ihren Vorgängermodellen werden sich die IGBTs der X-Serie allerdings durch 15 Prozent geringere Schaltverluste und niedrigere Sättigungsverluste, von zum Beispiel -0,5 V bei gleicher Stromdichte und 150 °C, unterscheiden. Außerdem werden sie mehr Leistung auf gleichem Raum und eine höhere Zuverlässigkeit – verdoppelt bei 175 °C – bieten.

Andererseits setzt man bei Fuji Electric auch auf Wide-Band-Gap-Bauelemente. Silizium-Karbid (SiC) wird dabei als neues Halbleitermaterial favorisiert. SiC verursacht deutlich geringere Verluste und lässt sich bei noch höheren Temperaturen, bis 225 °C, betreiben. Dadurch ermöglicht es höhere Schaltfrequenzen und trägt zu noch kompakteren Systemen bei. Das liegt unter anderem an dem erheblich geringeren, dafür erforderlichen Filter-Aufwand.

Die hohen Temperaturen erfordern allerdings ganz neue Lösungen in Bezug auf das Gehäuse. Fuji Electric hat dafür das neue Gehäuse New Structure Package (NSP), mit wire-bond-freiem Aufbau entwickelt. Dieses ist um 60 Prozent kompakter als das herkömmlicher Bauelemente. Außerdem bietet es eine zwanzigfach größere Zuverlässigkeit bei gleicher Chip-Temperatur. Die interne Induktivität ist ebenfalls erheblich geringer. Das unterstützt eine Parallelschaltung der Bauelemente.

Sowohl die herkömmliche als auch die neue Gehäuse-Struktur bietet die Möglichkeit, alle verfügbaren Leistunghalbleiter-Materialien zu kombinieren:

  • Si/Si: X-IGBT / X-FWD oder Reverse-Conducting (RC) IGBT

  • Si/SiC: X-IGBT / SiC-FWD (Hybrid)

  • Full-SiC: SiC-FET / SiC-FWD

Die maximale Betriebstemperatur hängt von dem eingesetzte Gehäuse ab. Einen Überblick über die technischen Daten der einzelnen Materialkombinationen gibt untenstehende Tabelle.

Der Anwender erhält dadurch völlig neue Auswahl- beziehungsweise Kombinationsmöglichkeiten:

  • Upgrade vorhandener Systeme mit X-IGBTs, Hybrid-Modulen oder Full-SiC-Modulen

  • Bessere Anpassung der Produktpalette an die Anforderungen von Kunden

  • Erweiterung des Leistungsbereichs durch mehr Leistung bei geringerem Platzbedarf

  • Ergänzung des Leistungsbereichs durch Hybrid-Module um ungefähr 30 Prozent

  • Reduzierung der Baugröße

  • Erhöhung der Schaltfrequenz und damit Reduzierung an Filteraufwand

Die Frage ob sich Silizium-Karbid am besten als Halbleitermaterial eignet oder welche Kombination aus Halbleiter-Materialien und Gehäusen die Anforderungen von Markt und Politik am besten erfüllen, kann hier nicht abschließend beantwortet werden. Was die effizienteste Lösung ist, hängt immer von den Rahmenbedingungen des Einzelfalls ab. Um dem gerecht zu werden, bietet Fuji Electric dem Anwender vielfältige Lösungsmöglichkeiten.

Bildergalerie

  • Das wirebond-freie Gehäuse NSP ist 60 Prozent kleiner als konventionelle Bauformen.

    Bild: Fuji Electric Europe

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