Die nächste Effizienz-Dimension Einsatz von SiC-Bauelementen für Leistungsanwendungen

Bei Leistungselektronikanwendungen werden kontinuierlich Verbesserungen in Form einer Erhöhung von Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Nennleistung sowie ein erweiterter Betriebstemperaturbereich gefordert. Erreicht werden kann dies nur durch entsprechende Halbleiter, die niedrige Schalt- und Leitungsverluste, eine hohe Schaltfrequenz, thermisch stabile elektrische Eigenschaften und eine hohe Sperrspannung aufweisen. Leistungshalbleiter auf Siliziumbasis geraten hier zunehmend an ihre physikalischen Grenzen, doch mit Verbundhalbleiterwerkstoffen wie etwa Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ergeben sich neue Möglichkeiten, diese Parameter gravierend zu verbessern.

Das Aufkommen von Kraftfahrzeugen mit Hybrid- und Elektroantrieb brachte eine erhöhte Nachfrage nach Leistungselektronik mit sich und führte dazu, dass die in konventionellen siliziumbasierten Halbleiterbausteinen entstehenden Umwandlungsverluste zunehmend problematisch wurden. Schottky-Dioden sind die leistungsfähigsten silizium-basierten Leistungsdioden. Sie zeichnen sich, verglichen mit den verschiedenen Arten von Fast-Recovery- (Fast Recovery Epitaxial), Ultra-Fast-Recovery- und Super-Fast-Recovery-Dioden, durch die kürzeste Sperrverzögerungszeit (trr) aus und bieten außerdem den geringsten Spannungsabfall in Durchlassrichtung (UF). Beide Parameter sind entscheidend für einen hohen Wirkungsgrad (Tabelle 1).

Zwar haben Schottky-Dioden gegenüber anderen Diodentechnologien den Vorteil niedriger Durchlassverluste und vernachlässigbar geringer Schaltverluste, doch ist ihr Einsatzgebiet infolge der kleineren Bandlücke von Silizium auf Applikationen mit Maximalspannungen von rund 200 V begrenzt. Oberhalb von 200 V einsetzbare Si-Dioden weisen höhere UF- und trr-Werte auf.

Siliziumkarbid ist ein Verbundhalbleiter, der dem reinen Silizium in der Leistungselektronik überlegen ist. Unter anderem hat Siliziumkarbid eine dreimal so große Bandlücke wie Silizium, seine Durchbruchfeldstärke ist um den Faktor 10 höher, und der Temperaturkoeffizient ist dreimal so groß. Mit diesem Eigenschaftsprofil ist dieser Werkstoff ideal für Leistungselektronikanwendungen geeignet. Bei Siliziumkarbid-Bauelementen sind die Durchbruchspannung, die Betriebstemperatur und die Wärmeleitfähigkeit höher als bei Siliziumdioden, während die Sperrverzögerungszeit und der Sperrstrom niedriger sind – bei vergleichbarer Durchbruchspannung. Diese Charakteristika ermög­lichen eine verlustarme, d.h. effiziente Leistungswandlung, lassen die Verwendung kleinerer Kühlkörper zu und reduzieren das EMI-Aufkommen. Die anhaltenden Fortschritte bei der Anhebung der Betriebstemperatur (250 °C) und der Sperrspannung bieten die Aussicht auf interessante neue Applikationen, wie z.B. Motorregler für Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie elektronische Transformatoren.