Mit SiC- und GaN-Halbleitertechnologien

So werden Leistungswandler effizienter

28. Januar 2021, 14:36 Uhr | von Milan Ivkovic, Director Segment Analog/Power & Technical Support Center Manager und Karl Lehnhoff, Director Segment Industrial, beide EBV Elektronik

Die Effizienz von Leistungswandlern wird zunehmend wichtig, weil jedes verschwendete Watt zur globalen Erwärmung beiträgt und zu erhöhten Betriebskosten führt. SiC und GaN können Abhilfe schaffen.

Die Optimierung des Energieverbrauchs und der Leistungswandlung war schon ein Ziel, als mit einer Pferdestärke auch genau das gemeint war und es von der Konstruktion eines Pfluges abhing, in wie vielen Tagen man ein Feld beackern konnte. Während die Optimierung der Leistungswandlung eines solchen Pfluges heute jedoch kein großes Thema mehr ist, gewinnt die elektrische Leistungswandlung vom Generatorausgang bis zu den endgültigen Versorgungsspannungen für viele unterschiedliche Anwendungen zunehmend an Bedeutung – und dies in nahezu allen Spannungsbereichen: Das Spektrum reicht von Spannungswandlern auf 0,6 V DC für Prozessoren über 24 V DC bis hin zu 500 V AC für industrielle Motoren oder 400 V DC zum Laden einer E-Auto-Batterie. Die dafür genutzten Leistungshalbleiter waren jahrzehntelang fast ausschließlich siliziumbasiert: Si-MOSFETs und IGBTs. Deren Verlustleistungen führen jedoch zu signifikanten Ineffizienzen ihrer Zielapplikationen, die nicht mehr in die heutige Zeit passen, in der kontinuierliche Effizienzsteigerungen gefordert sind, um letztlich sowohl Betriebskosten als auch Umweltbelastungen zu minimieren.

In den letzten Jahren haben sich deshalb mit Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) alternative Materialen etabliert. Sie weisen Eigenschaften auf, die zunehmend effizientere Leistungswandler ermöglichen. Bauelemente auf Basis solcher breitbandigen Halbleiter (WBGs) sind jedoch kein unmittelbarer Ersatz für siliziumbasierte Bauelemente, da sie auf den Anwendungsbereich abgestimmte Schaltungen benötigen, um ihre Leistungsvorteile voll auszuschöpfen. Bild 1 zeigt die wichtigsten Unterschiede der Materialien.

[Leitungsverluste

Si-IGBTs haben im Durchlasszustand (On-Zustand) eine minimale Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter, die – abhängig vom Kollektorstrom – zu Leitungsverlusten führt. Leitungsverluste finden bei Si-MOSFETs hingegen ihre Ursache im On-Widerstand (RON), woraus sich eine Verlustleistung von I2 · RON ergibt, was ihren Einsatz bei hohen Stromstärken übrigens unmöglich macht. Bei niedriger Spannung und geringer bis mittlerer Leistung können Si-MOSFETs mit niedrigem RON jedoch geringere Leitungsverluste als Si-IGBTs aufweisen. SiC und GaN haben im Vergleich dazu eine viel höhere kritische Durchbruchspannung als siliziumbasierte Lösungen, was eine dünnere Drift-Schicht und eine hohe Dotierungskonzentration ermöglicht. Dies führt unmittelbar zu einem niedrigeren On-Widerstand für die gegebene Die-Fläche und Nennspannung mit den daraus resultierenden geringeren Leitungsverlusten. Außerdem hat SiC eine mehr als dreimal bessere Wärmeleitfähigkeit als Si, sodass bei gleichem Temperaturanstieg ein kleineres Die verwendet werden kann. Zudem lassen sowohl SiC als auch GaN viel höhere maximale Betriebstemperaturen zu als Si, was den thermalen Stress reduziert.

[Schaltverluste

Generell streben Entwickler eine hohe Schaltfrequenz der Wandler an, um vor allem die magnetischen Komponenten kleiner dimensionieren zu können, was letztlich zu Größen-, Gewichts- und Kosteneinsparungen führt. Für alle Bauelemente gilt jedoch, dass die Schaltverluste mit zunehmender Schaltfrequenz zunehmen. Deshalb werden IGBTs nur selten oberhalb von 20 kHz betrieben, da ‚Tail Current‘ und die erforderlichen Snubber-Glieder sowie kapazitive Verluste aufgrund schneller Lade- und Entladevorgänge zu hohen Leistungsverlusten führen.

Si-MOSFETs hingegen können noch bei Schaltfrequenzen von mehreren hundert Kilohertz betrieben werden. Allerdings wird hier der Leistungsverlust (EOSS) im zur Ausgangskapazität zirkulierenden Strom mit steigender Frequenz zu einem begrenzenden Faktor. Im Gegensatz dazu weisen SiC und GaN eine viel höhere Elektronensättigungsgeschwindigkeit und viel geringere Kapazitäten auf, sodass sie bei hohen Schaltfrequenzen zu einer deutlich geringeren Verlustleistung führen.