Crees zweite Generation von SiC-MOSFETs reduziert die Gesamtkosten

Ist Siliziumkarbid wirklich noch teurer als Silizium?

16. September 2013, 10:25 Uhr   |  Karin Zühlke

Ist Siliziumkarbid wirklich noch teurer als Silizium?
© MEV Elektronik

Effizienzkurven von C2M0080120D (100 kHz), CMF10120D (100 kHz) und Si-H3-IGBT (20 kHz)

Der weit verbreiteten Aussage, dass SiC-Leistungsbauelemente zwar wesentlich effizienter als Si-Bauelemente sind, aber noch zu teuer, ging Christopher Rocneanu, Field Applikation Engineer von MEV Elektronik, auf den Grund - und konnte die landläufige Meinung am Beispiel eines SiC-Bausteins von Cree in der Tat widerlegen.

Cree ist mit SiC-Dioden seit über zehn Jahren am Markt und inzwischen bei der 5. Generation angelangt. Mit Sperrspannungen von 600 V, 650 V, 1200 V und 1700 V und einem Vorwärtsstrom von If = 1A - 50A gibt es eine große Auswahl an Dioden in den verschiedensten Packages. SiC-Dioden haben sich in Applikationen wie PFCs, Netzteilen, USV-Systemen, DC/DC-Wandlern und Wechselrichtern inzwischen durchgesetzt. Gegenüber den herkömmlichen Si-Dioden haben Sie ein temperaturkonstantes und sehr kleines Qrr, so dass die Schaltfrequenz deutlich erhöht und ein großer Performance-Gewinn erzielt werden kann.

Weil die Technologie inzwischen sehr ausgereift ist, gibt es bei den SiC-Dioden technisch kaum noch Unterschiede. Dem Kunden bleibt noch die kritische Aufgabe, sich nicht vom Marking täuschen zu lassen, sondern aufmerksam das Datenblatt zu studieren, weil manche Hersteller Temperatur und Strom bei einem niedrigeren Arbeitspunkt messen als zum Beispiel Cree. »Die Auswahl der richtigen Dioden nach dem Arbeitspunkt des Kunden ist extrem wichtig und nicht nur ein Kostenfaktor«, so Rocneanu. »Einigen Kunden konnten wir durch die Auswahl der richtigen Diode die Bauteilkosten um bis zu 25 Prozent reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern, weil dem Namen nach kleinere Dioden auch ein geringeres Qrr bzw. Qc haben.« Zum Beispiel ist die C4D40120D dem Namen nach eine 40A/1200V-Diode. Bei einer Temperatur von TC = 135 °C liegt der Drainstrom aber bei 54 A. Braucht man nur ca. 40 A, reicht die C4D30120D (ID = 43A @ TC = 135 °C) vollkommen aus. Bei den SiC-MOSFETs liegt das Ganze laut Rocneanu ein wenig anders. Eingeführt wurde der industrieweit erste SiC-MOSFET von Cree (CMF20120D, 1200V, 80mΩ) im November 2011. Inzwischen ist ein 160mΩ/1200V-Typ (CMF10120D) im TO-247-Package erhältlich.

Ist Siliziumkarbid wirklich noch teurer als Silizium?

Crees Generation-1- und -2-SiC-MOSFET im Vergleich
Effizienzkurven von C2M0080120D (100 kHz), CMF10120D (100 kHz) und Si-H3-IGBT (20 kHz)
Die Wärmeentwicklung, aufgenommen mit einer Wärmebildkamera.

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Beim Preis liegt der CMF20120D im Vergleich zu einem diskreten Si-IGBT deutlich höher. Mit der Einführung des 80mΩ-MOSFET der zweiten Generation (C2M0080120D) im Februar 2013 konnte der Hersteller die Kosten allerdings um etwa 50 Prozent senken. Das liegt vor allem an einer Verkleinerung der Chipfläche. Ein weiterer großer Vorteil der zweiten Generation ist auch die Reduzierung der Kapazitäten, die zum größten Teil für die Schaltverluste und somit die Wärmeentwicklung verantwortlich sind. Parallel gibt es dazu auch einen 1200V/25mΩ- und einen 1700V/40mΩ-MOSFET als Die-Varianten. Neben dem besseren Preis und den kleineren Schaltverlusten wurde der Spannungsbereich der Gate-Source-Spannung von -5V auf -10V vergrößert. Dadurch kann schneller abgeschaltet werden.

»Die Kosten für Transistoren darf man nicht auf diskreter Ebene vergleichen«, so Rocneanu weiter, »sondern muss sie im Gesamtsystem anschauen«. Zum Beispiel kann mit einer Erhöhung der Frequenz die Größe der Induktivität signifikant verkleinert werden. Auch Kühlkörper können aufgrund der geringeren Schaltverluste entscheidend verkleinert oder sogar komplett weggelassen werden. Unsere Kunden sind damit in der Lage, eine höhere Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung der Systemgesamtkosten zu erzielen.

Auf der PCIM 2013 zeigte Cree einen »All SiC 10kW Interleaved Boost Inverter«, bei dem Performance, die BOM (Bill of Materials) und die Systemgesamtkosten für SiC und Si beurteilt wurde. Verglichen wurden der 80mΩ-MOSFET der ersten und zweiten Generation von Cree mit einem Si-IGBT der neusten Generation. Der SiC MOSFET lässt sich mit VGS = 15V/-2V ansteuern. Eine bessere Performance wird allerdings bei VGS = 18V/-2V erreicht. Der Si-IGBT wurde mit 20 kHz geschaltet. Für die Cree-MOSFETs lag die Schaltfrequenz bei 100 kHz. »Man sieht, dass der C2M0080120D sowohl bei VGS = 18V/-2V  als auch bei VGS = 15V/-2V eine wesentlich bessere Effizienz gegenüber dem Si-IGBT erzielt«, unterstreicht der FAE.

Die Effizienz ist natürlich ein wichtiges Merkmal für den Kunden der Applikation. Für den System-Designer sind die Verluste und die daraus resultierende Wärmeentwicklung des Systems jedoch viel wichtiger. Daher haben die Experten die Wärmeentwicklung mittels Wärmebildkamera aufgenommen. In dem gleichen Inverter haben die Experten zusätzlich noch ein SiC-MOSFET eines Wettbewerbers verglichen. Hier gab es ein ähnliches Resultat: Der C2M0080120D ist 15 °C kühler als der CMF20120D und fast 38 °C kühler als der SiC-MOSFET der Konkurrenz. Selbst der CMF20120D bleibt etwa 13 °C kälter. Vergleicht man jetzt die BOM, lässt sich feststellen: »Obwohl der Anteil der Leistungshalbleiter bei der Si-basierten Lösung nur 5 Prozent beträgt, liegen die Gesamtkosten im Endeffekt höher. Das liegt zum einen daran, dass durch die höhere Frequenz eine Reduzierung der Induktivität erreicht werden konnte, und zum anderen, dass durch die bei SiC-MOSFET viel kleineren Schaltverluste der Kühlkörper verkleinert und somit die Kosten reduziert werden konnten«, erklärt Rocneanu. Bei der SiC-basierten Lösung lassen sich die Kosten für die BOM erneut um 5 Prozent reduzieren, wenn man die Schaltfrequenz auf f = 100 kHz erhöht. Nicht zu vernachlässigen ist auch die erhebliche Reduzierung in Größe und Gewicht des Gesamtsystems. »Die nächsten Monate werden für SiC sehr spannend«, verspricht Rocneanu. Der hier aufgeführte Spannungsbereich ist natürlich nur ein Beispiel - sollte der Kunde SiC-MOSFETs in anderen Spannungsbereichen oder mit einem anderen RDS(on) benötigen, hat MEV auch dafür eine Lösung parat.

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