Fuji Electric Europe GmbH

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Hybrid-Module Vorteile aus zwei Welten

27.04.2016

IGBT-Module auf Basis von Silizium sind hoch ausgereift, stoßen aber bei höheren Anforderungen an Leistungsdichte und Effizienz immer häufiger an ihre Grenzen. Modelle auf Basis von Siliziumkarbid hingegen sind für viele Anwendungen zu kostspielig. Ein sinnvoller Zwischenschritt ist hier die Lösung.

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IGBT-Module (Insulated Gate Bipolar Transistor) auf Silizium-Basis haben einen sehr hohen technischen Reifegrad erreicht, der nicht mehr viel Raum für Verbesserungen lässt. IGBT-Module sind heute kosteneffizient für eine große Anzahl an Anwendungen einsetzbar. Im Zuge der stetig steigenden Anforderungen an die Leistungsdichte und die Effizienz von Produkten in der Leistungselektronik, gibt es jedoch zunehmend Gebiete, in denen der Einsatz von Silizium-Chips an seine Grenzen stößt. Sind die geforderten Ziele mit der konventionellen Technologie nicht mehr zu erreichen, kann ein großer Sprung in der Effizienz der Leistungshalbleiter nur noch durch den Umstieg von Silizium- auf Siliziumkarbid-Chips erreicht werden. Da Halbleitermodule (IGBT beziehungsweise MOSFET und Freilaufdiode) auf Siliziumkarbid-Basis aufgrund der momentan noch sehr hohen Kosten für viele Anwendungen nicht wirtschaftlich sind, gibt es einen sinnvollen Zwischenschritt: Hybrid-Module, eine Kombination aus einem Silizium-IGBT und einer Siliziumkarbid-Diode. Diese Technologie bietet eine hervorragende Mischung aus elektrischer Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Vorteile von Siliziumkarbid

Die Entwickler in der Leistungselektronik Branche stehen stetig vor der Herausforderung, eine optimale Balance zwischen Kosten, Größe und Effizienz ihrer Produkte finden. Sie sind permanent dazu angehalten, die Leistungsdichte ihrer Produkte zu erhöhen. Bisher wurden Schritte in der Leistungsdichte in der Regel durch die Einführung neuer Generationen von Silizium-Chips erreicht, die jeweils eine durchschnittliche Reduktion der Verluste von circa zehn Prozent erreichen konnten. Zusätzlich wurde die nutzbare Sperrschichttemperatur schrittweise auf mittlerweile 175 °C erhöht, was zu einer deutlichen Steigerung der Leistungsdichte geführt hat.

Heute befinden sich die Hersteller von Leistungshalbleitern bei der Beherrschung der Fertigungsprozesse für Silizium-Chips auf einem sehr hohen Level. Die physikalischen Grenzen des Materials sind weitgehend ausgereizt. Daher wird zukünftig mit kleineren Schritten in der Effizienzsteigerung, oder längeren Intervallen zwischen den Generationen zu rechnen sein.

Einen sprunghaften Anstieg der Leistungsfähigkeit von Leistungshalbleiterchips kann heute durch den Wechsel von Silizium- auf Siliziumkarbid-Chips erreicht werden, welche bedeutende Vorteile gegenüber Silizium-Chips bieten. Im Folgenden wird betrachtet, wie sich die überlegenen Materialeigenschaften von Siliziumkarbid gegenüber Silizium auf die Eigenschaften von Leistungshalbleitern auswirken.

Bandabstand: Der Bandabstand beschreibt die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Je höher diese Energie ist, desto höher kann die Temperatur des Halbleiterchips sein, ohne dass es zu ungewolltem überspringen der Ladungsträger kommt. Ein hoher Bandabstand ermöglicht also eine höhere Leistungsdichte aufgrund von höheren Halbleiterchiptemperaturen. Ein weiterer positiver Effekt ist eine erhöhte Festigkeit gegen kosmische Strahlung, was zu weniger zufälligen Ausfällen im Betrieb führt.

Durchbruchfeldstärke: Die Durchbruchfeldstärke (auch Durchschlagfestigkeit) beschreibt die elektrische Isolierfähigkeit von Materialien. Eine höhere Durchbruchfeldstärke ermöglicht den Einsatz von dünneren Chips bei gleichbleibender Isolierfähigkeit, wodurch der Kompromiss zwischen Leit- und Einschaltverlusten der Halbleiterchips verbessert wird.

Thermische Leitfähigkeit: Je höher die thermische Leitfähigkeit, desto besser kann ein Halbleiterchip die durch die Verlustenergie entstandene Wärme abführen. Ein Chip mit höherer thermischer Leitfähigkeit ist so bei exakt derselben Verlustenergie ist als ein Chip mit geringerer Leitfähigkeit.

Sättigungsgeschwindigkeit: Eine hohe Sättigungsgeschwindigkeit ermöglicht schnellere Schaltzeiten, was zu einer Verringerung der Schaltverluste führt. Geringere Schaltverluste führen zu einem kühleren Halbleiterchip und einer höheren elektrischen Effizienz.

Vorteile für den Anwender

Wie bereits erwähnt, sind Entwickler von Leistungselektronik permanent dazu angehalten, die Leistungsdichte ihrer Produkte zu erhöhen. Diese kann nur erhöht werden, indem entweder die Verluste verringert, oder die nutzbare Sperrschichttemperatur erhöht wird. Da Letzteres negative Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleiter hat, wird in den Hybrid-Modulen der Ansatz verfolgt, bei konstanter Sperrschichttemperatur die Verluste zu verringern.

In einem IGBT-Modul sind fünf Arten von Verlusten zu betrachten, von denen drei durch den Einsatz einer Siliziumkarbid-Schottky-Diode anstelle der Siliziumdiode deutlich verringert werden können.

Die Schaltverluste wurden bei Fuji Electric anhand eines konventionellen IGBT-Moduls (1.700 V und 400 A) und eines Hybrid-Moduls mit ebenfalls 1.700 V und 400 A verglichen. Die Einschaltenergie konnte durch den Einsatz einer Siliziumkarbid-Diode etwa halbiert, die Reverse-Recovery-Energie sogar um über 90 Prozent reduziert werden.

Die deutlich niedrigeren Schaltverluste im Hybrid-Modul führen zu einer niedrigeren Sperrschichttemperatur und einer höheren Effizienz als bei einem vergleichbaren, konventionellen IGBT-Modul. Daraus ergeben sich für den Anwender drei bedeutende Optionen, wie er sein Produkt optimieren kann:

  • Ein reduzierter Kühlungsaufwand bei gleicher Ausgangsleistung wie mit einem konventionellen Modul ermöglicht eine kompaktere Bauform des Produkts.

  • Eine höhere Ausgangsleistung bei gleichem Kühlungsaufwand ermöglicht eine höhere Leistungsdichte im selben Bauraum.

  • Eine höhere Schaltfrequenz bei gleichem Kühlungsaufwand ermöglicht es, die Größe von passiven Filterkomponenten wie Transformatoren, Drosseln und Kondensatoren bedeutend zu reduzieren. In der Theorie kann das Volumen der passiven Bauteile auf etwa ein Viertel des ursprünglichen Volumens reduziert werden, wenn man die Schaltfrequenz verdoppelt. Dieser Wert kann in der Praxis nicht ganz erreicht werden, dennoch ist die Reduktion des Volumens enorm. Dies spart Kosten, Platz und Gewicht.

Bildergalerie

  • Im Vergleich der Materialeigenschaften kann Siliziumkarbid gegenüber Silizium in fast allen Aspekten punkten.

    Bild: Ramsi Kellow, Fuji Electric Europe

  • Fuji Electric verfügt über eine große Bandbreite von Hybrid-Modulen in den Spannungsklassen 600 V, 1.200 V und 1.700 V, die in naher Zukunft auf 3.300 V ausgeweitet wird. Dabei werden Stromstärken von 25 A bis 1.200 A abgedeckt und eine große Anzahl an unterschiedlichen Applikationen abzudecken.

    Bild: Ramsi Kellow, Fuji Electric Europe

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