Passive Bauelemente Magnetics für GaN und SiC

Die Teilnehmer des TechTalks »Magnetics für GaN und SiC«: Philipp Stürmer, Norbert Pieper, Dr. Peter Friedrichs, Ralf Higgelke, Dr. Jörn Schliewe und Oliver Opitz (v. l. n. r.).
Die Teilnehmer des TechTalks »Magnetics für GaN und SiC« der DESIGN&ELEKTRONIK: Philipp Stürmer, Norbert Pieper, Dr. Peter Friedrichs, Ralf Higgelke, Dr. Jörn Schliewe und Oliver Opitz (v. l. n. r.).

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) verdienen das Prädikat »revolutionär«. Doch dazu brauchen sie die entsprechenden passiven Bauelemente, vor allem Induktivitäten. Die DESIGN&ELEKTRONIK sprach darüber mit den Experten der Branchenriesen.

DESIGN&ELEKTRONIK: Inwiefern verändern Siliziumkarbid und Galliumnitrid die Anforderungen an Induktivitäten?

Dr. Peter Friedrichs: Mit den neuen Materialien stoßen wir in Frequenzbereiche vor, die bislang nicht denkbar waren. Mit Siliziumkarbid etwa lassen sich Umrichter mit zehn Kilowatt und aufwärts mit Taktfrequenzen im dreistelligen Kilohertzbereich realisieren, bei Silizium sind es bis auf Ausnahmen meist nur 40 oder 50 Kilohertz. Folglich steigen Ströme und Spannungen schneller an. Bei passiven Komponenten für die hohen Taktfrequenzen tun sich schon Lücken auf, vor allem für den höheren Leistungsbereich.

In Projekten mit unseren Kunden stoßen wir da immer wieder an Grenzen. Bei kleineren Leistungen ist das allerdings nicht so kritisch. Im Zusammenhang mit den höheren Schaltfrequenzen rücken die Passiven auch räumlich immer näher an die Leistungshalbleiter heran. Und damit treffen teilweise Welten aufeinander, besonders was die Kontakttechnik betrifft. Die Grundfrage lautet: Wie kann ich die Zwischenkreiselemente niederinduktiv an den Schalter anbinden? Darüber ist in der Vergangenheit kaum nachgedacht worden, weil das bei Siliziumschaltern nicht so relevant ist. Aber diese Fragestellung geht noch weiter: Wir wollen – zumindest teilweise – die passiven Bauelemente in die Leistungselektronik integrieren. Jetzt heißt es also, die Aufbau- und Verbindungstechnik in unseren Modulen komplett zu überdenken.

Zusätzlich müssen noch die hohen Betriebstemperaturen berücksichtig werden, die für diese Wide-Bandgap-Materialien kein Problem darstellen, wohl aber für die passiven Komponenten. Daran könnten die ganzen Visionen in Richtung Hochtemperaturanwendungen letztendlich scheitern.

Auf der APEC zeigte Alex Lidow von EPC in einer Folie, dass etwa die Hälfte der Verluste bei DC/DC-Wandlern mit GaN-Transistoren auf die magnetischen Bauteile entfallen (siehe »GaN und Magnetics im Brennpunkt«; DESIGN&ELEKTRONIK Ausgabe 4/2016, S. 62ff.). Woran liegt das? Gilt Ähnliches auch für Siliziumkarbid?

Oliver Opitz: Zunächst müsste man einmal die Rahmenbedingungen genau betrachten. Meiner Meinung nach werden hier die passiven Bauelemente – speziell die induktiven – in ein schlechtes Licht gerückt. In dem Stadium, in dem sich der Galliumnitrid-Transistor heute noch bewegt, ist er noch ein sehr kundenspezifisches und anwendungsoptimiertes Bauelement. Kam hier vielleicht als Spule nur ein Standardbauteil vom Lager zum Einsatz? Oder hätte EPC da nicht ein wenig mehr Zeit investieren sollen, um verschiedene Kernmaterialien zu testen und sich den Aufbau der Wicklung anzusehen? Die Aussage verwundert mich, da ich EPC als sehr kompetent kenne.

Dr. Peter Friedrichs: Im Gegensatz zu GaN, wo es meistens um sehr hohe Taktfrequenzen geht, ist das Einsatzspektrum von Siliziumkarbid deutlich breiter. Bei Umrichtern beispielsweise sind oftmals höhere Taktfrequenzen nicht möglich, da dies der Motor nicht mitmacht oder andere Systembeschränkungen bestehen. Da geht es dann mehr um die Minimierung der Leitverluste. Aber natürlich eignet sich SiC auch für Anwendungen mit hohen Taktfrequenzen, beispielsweise bei Schaltnetzteilen. In diesen Fällen würde sich ein ähnliches Bild bei den Verlusten ergeben wie bei Galliumnitrid.

Die Teilnehmer am Tech-Talk

Dr. Peter Friedrichs, Senior Director SiC, Infineon Technologies

Oliver Opitz, Division Manager, EMC & Inductive Solutions, Würth Elektronik eiSos

Norbert Pieper, Senior Vice President Business Development, Vishay

Dr. Jörn Schliewe, Gruppenleiter Simulation, Magnetics Business Group, TDK/Epcos

Philipp Stürmer, Manager Regional Marketing Inductors Europe, Vishay

Moderation: Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK