SiC- und GaN-Halbleiter für die Leistungselektronik

Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) werden immer mehr zu den bevorzugten Technologien mit großer Bandlücke (WBG) für Leistungsdesigns in Elektrofahrzeugen, industriellen Stromversorgungen und Systemen zur Solarstromerzeugung. Werfen wir einen Blick auf die Geschehnisse und den Grund, warum Technologien mit großer Bandlücke eine Alternative für die Zukunft darstellen, während wir einige zukunftsweisende WBG-Technologien betrachten.

Von Hybrid- und Elektrofahrzeugen über Rechenzentren bis hin zu Leistungselektronik für das Militär haben sich SiC- und GaN-Halbleitermaterialien als tragfähige Option für eine verbesserte Leistungswandlung und erhöhte Energieeinsparungen in der Hochspannungs-Leistungselektronik erwiesen.

Für die Wechselrichter in Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen (EVs) kamen lange Zeit IGBTs auf Siliziumbasis zum Einsatz. Mittlerweile vertrauen die Entwickler von EVs jedoch zunehmend auf SiC-MOSFETs, die mit höheren Frequenzen betrieben werden und für Anwendungen mit hohen Durchbruchspannungen geeignet sind. Aus diesem Grund finden SiC-Komponenten durch die Verfügbarkeit von SiC-Schottky-Sperrschichtdioden (SBDs, Schottky Barrier Diodes), SiC-MOSFETs, SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) und weiteren diskreten SiC-Komponenten immer größere Verbreitung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Der nächste logische Schritt, mit dem wir rechnen können, ist die Einführung kompletter SiC-Module.

GaN-Halbleiter versprechen niedrigere Kosten, sind im Vergleich zu SiC-Wafern einfacher herzustellen und schließen hinsichtlich der Herstellungsmenge langsam zu SiC auf. Außer in Designs für die Automobiltechnik (z. B. in Wechselrichtern) kommen GaN-Komponenten nunmehr auch immer häufiger in DC/DC-Wandlern in Rechenzentren, in Hochspannungs-Stromversorgungen und in der Leistungselektronik für das Militär zum Einsatz.

SiC: höhere Leistungsdichte und Zuverlässigkeit

SiC-Materialien bieten eine breite Bandlücke von 2,86 Elektronenvolt (eV)1 und weisen daher eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium (1,11 eV) auf. Sie eignen sich daher gut für hohe Spannungen für Hochleistungsanwendungen. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit eignen sie sich für Systeme zur Leistungswandlung für die Fahrzeugelektrifizierung, Solar-Wechselrichter und andere Hochleistungsanwendungen.

Die SiC-MOSFETs der E-Serie von Wolfspeed etwa, einem Unternehmen von Cree, sind für EV-Batterieladegeräte und Hochspannungs-DC/DC-Wandler optimiert. Die E-Serie basiert auf der robusten Planartechnologie der 3. Generation von Wolfspeed und kommt im Referenzdesign für das bidirektionale On-Board-Ladegerät des Unternehmens mit 6,6 Kilowatt (kW) zum Einsatz.

Wolfspeed positioniert die SiC-MOSFETs der E-Serie als Komponenten mit den branchenweit niedrigsten Schaltverlusten und der höchsten Gütezahl (FOM, Figure of Merit). In der Tat bietet die E-Serie einen RDSon von lediglich 65 Milliohm (mΩ), sodass sich die Gütezahl, bei der die elektrischen Leistungsverluste und die thermischen Einschränkungen für WBG-Leistungskomponenten berücksichtigt werden, zum Zeitpunkt dieses Artikels durchaus im Spitzenbereich bewegen kann.

Darüber hinaus sind diese SiC-Komponenten HV-H3TRB-konform und somit für Solarenergiesysteme geeignet, die in extrem rauen Umgebungen betrieben werden. Die Konformität galt bei 80 Prozent der Nennsperrspannung in einer Klimakammer bei einer konstanten Umgebungstemperatur von 85 °C und 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit.

Rohm Semiconductor hat inzwischen ebenfalls die 3. Generation seiner SiC-SBDs mit verschiedenen Nennstromstärken und Gehäusen im Angebot. Die SBDs verbessern die Vf-Eigenschaften erheblich und bieten bei einer Senkung des Leckstroms eine höhere Stoßstromfestigkeit. Dadurch fallen die Schaltverluste bei diesen Komponenten niedriger aus als bei Silizium-Dioden mit kurzer Erholzeit (SiFRDs).

Zusätzlich hat Rohm Leistungsmodule mit SiC-MOSFETs und SBDs in einem Industriestandard-Gehäuse auf den Markt gebracht (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der stark verringerte Widerstand RDS(ON) ist ein Hauptgrund für die niedrigeren Schaltverluste von Leistungsmodulen mit SiC-MOSFETs der 3. Generation. (Bildquelle: Rohm Semiconductor)

Die SiC-Halbbrücken-Leistungsmodule bieten Schaltverluste, die erheblich niedriger sind als bei herkömmlichen IGBT-Modulen und den Hochfrequenzbetrieb über 100 kHz ermöglichen.

GaN: kleiner und schneller als Silizium

GaN bietet sogar eine noch größere Bandlücke von 3,4 eV und die doppelte Elektronenmobilität im Vergleich zu Silizium. Des Weiteren lassen sich durch die stromeinbruchsfreien Eigenschaften von GaN-Komponenten die Größe verringern und der Wirkungsgrad von Systemen zur Leistungswandlung verbessern.

Nehmen wir als Beispiel von EPC die Komponente EPC2206 (Abbildung 2). Als Teil der eGaN®-FET-Familie ist die EPC2206-Komponente für Fahrzeuge mit einem 48-Volt-Stromverteilerbus konzipiert, um Funktionen wie die elektrische Start-Stopp-Funktion, die elektrische Steuerung, die elektronische Fahrwerksregelung und die regelbare Klimaanlage zu erleichtern. Die eGaN-FETs EPC2206 werden ausschließlich in passivierter Chipstruktur mit Lötleisten geliefert. Die Chipgröße beträgt 6,05 Millimeter (mm) x 2,3 mm.

Abbildung 2: Die eGaN-FETs EPC2206 von EPC werden ausschließlich in passivierter Chipstruktur mit Lötleisten geliefert. Die Chipgröße beträgt 6,05 mm x 2,3 mm. (Bildquelle: EPC)

Der Halbbrücken-GaN-Transistor EPC2100 von EPC ist ebenfalls Teil der eGaN-FET-Familie (Abbildung 3, oben). Um die Integration von FETs in Wandlerdesigns zu erleichtern, bietet EPC außerdem die Entwicklungskarte EPC9036 an (Abbildung 3, unten).

Abbildung 3: Der Halbbrücken-GaN-Transistor EPC2100 wird in passivierter Chipstruktur mit Lötkugeln geliefert (oben). Er misst 6,05 mm x 2,3 mm. Zwei dieser Komponenten sind auf der Entwicklungskarte EPC9059 parallel angeordnet (unten). (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die Entwicklungskarte EPC9036 bietet zwei parallel geschaltete eGaN-ICs EPC2100 für 30 Volt und einer einzelnen On-Board-Gate-Ansteuerung für höhere Ausgangsströme. Sie verfügt über alle wichtigen Komponenten und das Layout für optimale Schaltleistung.

Dann gibt es noch das Unternehmen Transphorm, das 2017 den ersten AEC-Q101-konformen GaN-Transistor für die Automobiltechnik auf den Markt brachte. Laut Transphorm bieten die Hochspannungs-GaN-FETs des Unternehmens ausreichend hohe Temperaturreserven zur Entwicklung eines Energiesystems. Die TP65H035WSQA ist die AEC-Q101-konforme GaN-Komponente des Unternehmens der 3. Generation und hat den thermischen Grenzwert des FET auf 175 °C erweitert. Das sind 25 °C mehr als bei AEC-Q101-konformen Hochspannungs-Silizium-MOSFETs.

Die obigen Lösungen zeigen, dass sich SiC- und GaN-Leistungskomponenten bereits in vollem Umfang auf dem Markt etabliert haben. Wenn sich mit diesen Komponenten weitere kritische Designherausforderungen in wichtigen Anwendungsbereichen meistern lassen, werden mehr davon hergestellt werden und ihre Verwendbarkeit wird sich verbessern. Dadurch werden sie als alternative Lösung weiter zu ihren Gegenstücken aus Silizium aufschließen.

 

Referenzen:

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1

Über den Autor

Image of Majeed Ahmad

Majeed Ahmad ist Elektroniker mit über 20 Jahren Erfahrung in B2B-Technologiemedien. Er ist ehemaliger Chefredakteur der EE Times Asia, einer Schwesterzeitung der EE Times.

Majeed hat sechs Bücher über Elektronik verfasst. Er schreibt zudem regelmäßig für Fachzeitschriften zum Thema Elektronikdesign, darunter All About Circuits, Electronic Products und Embedded Computing Design.

More posts by Majeed Ahmad