Mehr Systemeffizienz durch Wide-Band-Gap-Technologien Energie sparen mit SiC und GaN

Mehr Elektronik im täglichen Leben und ein steigender Energiebedarf mit den entsprechenden Kosten lassen weltweit neue Energieeffizienz-Vorschriften zum Tragen kommen. Die Halbleiterindustrie hat reagiert und mit den Wide-Band-Gap-Technologien neue Möglichkeiten der Systemeffizienz geschaffen.

Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sind als WBG-Materialien (Wide-Band-Gap) die neue Speerspitze in der Halbleiterindustrie, um die Systemeffizienz zu verbessern. Anders als herkömmliches Silizium haben Materialien wie GaN und SiC breitere Bandlücken (Si: 1,12 eV, SiC: 2,2 bis 3,3 eV, GaN: 3,4 eV) und eignen sich damit besser für höhere Temperaturen und Spannungen. Anders herum ist es möglich, bei gleicher Spannung viel kleinere WBG-Bauteile mit derselben Stromfähigkeit wie ein übliches siliziumbasiertes Teil zu entwickeln. Außerdem erlauben diese Technologien im Vergleich zu Silizium eine höhere Betriebsschaltfrequenz, und damit eröffnen sie die Möglichkeit, Systemkomponenten wie Kondensatoren und Induktoren weiter zu verkleinern.

SiC-Dioden und SiC-FETs (MOSFETs wie auch JFETs) haben ein großes Potenzial im Bereich 1200 V und höher - während der IGBT früher die einzige Lösung war - bei Anwendungen wie erneuerbare Energien, USV, industrielle Hochleistungs-Motorumrichter oder Elektrofahrzeuge mit den Vorteilen einer höheren Betriebsfrequenz und geringeren Leistungsverlusten.

Die ersten SiC-Produkte auf dem Markt waren die Dioden, die im PFC/Aufwärtswandler verwendet wurden. Die Leistungsfähigkeit unter allen Lastbedingungen wird verbessert, das Schaltverhalten ist fast temperaturunabhängig mit geringen Stabilitätsproblemen, der Betrieb bei hohen Temperaturen ist möglich (einige Hersteller garantieren ein Tj von 175 °C), und elektromagnetische Störungen sind geringer. Außerdem erzeugt der sehr niedrige Sperrverzögerungsstrom geringeren Strom am Low-Side-Schalter, somit könnte ein billigerer PFC-Schalter (IGBT/MOSFET) mit einem niedrigeren Nennstrom verwendet werden.

SiC-Produkte sind zwar schon seit über zehn Jahren auf dem Markt, bisher sind sie aber wegen der hohen Produktionskosten, einem eingeschränkten Produktportfolio und wenigen Lieferanten nur begrenzt verfügbar. Wir erwarten allerdings, dass die neuen Energiesparvorschriften und die herausragende Leistungsfähigkeit der WBG-Produkte in nächster Zukunft zunehmend das Interesse der Elektronikhersteller finden werden. In den Bereichen erneuerbare Energien und Elektromobilität wird wegen der riesigen Systemleistungsverbesserung bereits intensiv am Einsatz von WBG-Bauteilen gearbeitet.

SiC-JFETs ist die ausgereifteste Technologie unter allen SiC-aktiven Geräten. Solche Geräte sind sehr robust und weisen hohe dv/dt-Werte und eine geringe EM-Strahlung auf. Es sind normalerweise ON-Geräte, die daher in einer bestimmten Konfiguration verwendet werden müssen (Kaskodenkonfiguration mit Niederspannungs-MOSFETs), um sicherzugehen, dass sie während des Betriebs in den OFF-Zustand versetzt werden. Diese Konfiguration erfordert spezielle Treiber, die auf dem Markt nicht ohne Weiteres verfügbar sind. SiC-MOSFETs sind normalerweise OFF-Geräte. Sie haben nicht die Nachteile der JFETs, sodass die Steuerung viel einfacher wird. Sie sind aber allgemein teurer als die anderen WBG-Bauteile. Galliumnitrid (GaN) ist ebenfalls in den Wettbewerb eingetreten, um einen Anteil am künftigen Energiemarkt zu gewinnen. Beim Material scheint GaN sich aufgrund der größeren Mobilität in den Kristallen für hochfrequente Anwendungen zu eignen, während SiC aufgrund der besseren thermischen Leitfähigkeit bei hoher Leistungsdichte infrage kommt. Anders als bei SiC wurden bisher für Galliumnitrid-(GaN-)Geräte erste Anwendungsmöglichkeiten im niedrigeren Spannungsspektrum gefunden, auch dank der kostengünstigen Produktionskosten für diese Spannungs-Bereiche. Gleichwohl gibt es bereits interessante Entwicklungen im Bereich 600 V, wie nachfolgend beschrieben.