Mehr Systemeffizienz durch Wide-Band-Gap-Technologien

Energie sparen mit SiC und GaN

18. August 2014, 14:50 Uhr   |  Matteo Landi und Michele Rossitto, Silica


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Welche Hersteller bieten welche WBG-Technologien?

Normalisierter Rds-on gegenüber Temperatur
© ST

Normalisierter Rds-on gegenüber Temperatur

Im Rahmen der Kampagne »Power´n More« engagiert sich Silica aktiv für die Förderung neuartiger Technologien in diesem Bereich, die die Herstellerpartner von Silica für die Industrie- und Automobilmärkte entwickeln. Zu den Power-Partnern von Silica, die SiC-Produkte (Dioden, MOSFETs und JFETs) in Spannungsbereichen ab 600 V entwickeln, zählen u.a. Infineon, STMicroelectronics und Rohm Semiconductor. International Rectifier entwickelt GaN-on-Silicon-Basis-MOSFETs im Bereich von 150 V bis zu 600 V. Seit zehn Jahren nutzt Infineon die SiC-Technologie für die Entwicklung und Produktion von Dioden mit einer Spannung von 600 V und höher. Die bereits ausgereiften Verfahren werden aktuell für die Entwicklung und Herstellung von 1200-V-JFETs zur Unterstützung von Segmenten wie erneuerbare Energien, industrielle Umrichter und die hocheffiziente Stromversorgung eingesetzt. Das normalerweise mit 1200 V im An-Zustand betriebene SiC-JFET weist in Verbindung mit einer sehr guten internen Body-Diode hervorragende Vorwärts- und Schalteigenschaften auf. Durch die Wahl eines JFET-Gerätekonzeptes ohne kritisches Gateoxid wird Spitzenleistung mit der Zuverlässigkeit verbunden, die für anspruchsvolle Anwendungen wie PV-Wechselrichter erwartet werden. Eine Vergleichsanalyse zwischen SiC-JFET und IGBTs mit integrierter Si- und SiC-Schottky-Diode wurde mit PV-Wechselrichtern durchgeführt, um die außerordentliche Leistung (sehr geringe Schaltenergie) des JFETs während der An-/Aus-Zeiten zu bestätigen. Die Schaltverluste sind vergleichbar mit der neusten schnellen IGBT-Generation. Die Ergebnisse sind um den Faktor 2 besser und um fast eine Größenordnung besser als das für Motorantriebe optimierte Trenchstop-IGBT. International Rectifier verwendet mit der firmeneigenen GaNpowIR-Plattform sowohl die Planar- als auch die Trench-Technologie. GaNpowIR basiert auf einem kostengünstig GaN-on-Silicon-Substrat, das wiederum auf Heteroepitaxie basiert und mit einem Standard-CMOS-Waferfertigungsverfahren hergestellt wird. IR entwickelt ein neues 600-V-GaN-FET-Bauteil, das noch dieses Jahr zur Verfügung stehen dürfte. Es verbindet die Kaskodenkonfiguration eines GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) mit einem Niederspannungs-MOSFET, um hohe Effizienz in Anwendungen zu erreichen, indem der Formfaktor verringert wird (kleinere Induktoren/Kondensatoren) oder die Kühlkörpergröße verkleinert wird bzw. ganz auf einen Kühlkörper verzichtet werden kann (geringerer Temperaturanstieg). Rohm Semiconductor bietet aktuell die zweite Generation der SiC-Planar-MOSFETs mit einer Sperrspannung von 1200 V und 80 mOhm (mit und ohne integrierter SiC-Schottky-Barrier-Diode (SBD)) an. Der geringe Schaltverlust ist einer der wichtigsten Vorteile. Die nächste Generation von SiC-Trench-MOSFETs befindet sich in der Entwicklung. Sie bieten nicht nur Verbesserungen bei den Schaltverlusten, sondern auch geringere Leitungsverluste und höhere Zuverlässigkeit. Außerdem bietet Rohm Semiconductor SiC-SBDs mit Sperrspannungen bis zu 1200 V und Vorwärtsströmen bis zu 40 A an. SiC-SBDs sind ultraschnell und weisen Erholzeiten von fast null auf. Testergebnisse haben gezeigt, dass die Effizienz bei der Stromumwandlung mit einem SiC-SBD im Vergleich zu einem konventionellen Si FRD um mehr als 2 Prozent verbessert werden kann. In Verbindung mit diesen beiden positiven Eigenschaften weisen die SiC-SBDs eine sehr niedrige, von Si-SBDs schon bekannte Vorwärtsspannung mit unvergleichlicher Temperaturstabilität der Parameter auf. STMicroelectronics ist mit seinen beiden Generationen der SiC-Diode auf dem Markt schon etabliert und gehört zu den ersten Unternehmen, die 1200-V-Siliziumkarbid-Leistungs-MOSFETs kommerziell anbieten und damit einen 200°C-Wert für effizientere und vereinfachte Designs erreichen. Die Zielanwendung ist auch hier der Stromumrichter, den wir in verschiedenen Bereichen wie industriellen Antrieben, erneuerbaren Energien und dem Automobilsektor finden. Generell bleiben auch Stromversorgungen interessant, die hohe Spannungen (600 - 650 V) und Stromstärken (im Bereich von kA) bewältigen und gleichzeitig sehr leistungsstark sein müssen. Das neue 1200V/80mOhm-SiC-Leistungs-MOSFET SCT30N120 von ST hat zum Beispiel sehr geringe Schaltverluste gegenüber dem IGBT mit einer Verlustgröße proportional zur Temperatur sowieo sehr stabile 80mOhm-Rds-on, spezifiziert bis 200 °C. STMicroelectronics wird im kommenden Jahr sein SiC-MOSFET-Portfolio mit der Einführung von 1700-V-Komponenten und verschiedenen Versionen mit höheren und niedrigeren Rds-on-Werten erweitern.

Matteo Landi ist Business Development Manager Power Management, Michele Rossitto ist Field Appliation Engineer Analog&Power, beide bei Silica.  

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