Gesamtkosten entscheiden Ist SiC wirklich teuerer als Silizium?

Der weit verbreiteten Aussage, dass SiC-Leistungsbauelemente zwar wesentlich effizienter als Si-Bauelemente sind, aber noch zu teuer, ging Christopher Rocneanu, Field Applikation Engineer von MEV Elektronik auf den Grund – und konnte die landläufige Meinung am Beispiel eines SiC-Bausteins von Cree in der Tat wiederlegen.

Cree ist mit SiC Dioden seit über 10 Jahren am Markt und inzwischen bei der 5. Generation angelangt. Mit Sperrspannungen von 600V, 650V, 1200V und 1700V und einem Vorwärtsstrom von If=1A - 50A gibt es eine große Auswahl an Dioden in den verschiedensten Packages. SiC-Dioden haben sich in Applikationen wie PFC’s, Netzteilen, USV, DC/DC-Converter sowie Wechselrichtern inzwischen durchgesetzt. Gegenüber den herkömmlichen Si-Dioden haben Sie ein temperaturkonstantes und sehr kleines Qrr, so dass die Schaltfrequenz deutlich erhöht und ein großer Performance Gewinn erzielt werden kann.

Weil die Technologie inzwischen sehr ausgereift ist, gibt es bei den SiC-Dioden untereinander, technisch kaum noch Unterschiede. Dem Kunden bleibt noch die kritische Aufgabe sich nicht vom Marking täuschen zu lassen, sondern aufmerksam das Datenblatt zu studieren, weil manche Hersteller Temperatur und Strom bei einem niedrigeren Arbeitspunkt messen als zum Beispiel Cree. »Die Auswahl der richtigen Dioden nach dem Arbeitspunkt des Kunden ist extrem wichtig und nicht nur ein Kostenfaktor«, so Rocneanu. »Einigen Kunden konnten wir durch die Auswahl der richtigen Diode die Bauteilkosten um bis zu 25 Prozent reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern, weil dem Namen nach kleinere Dioden auch ein geringeres Qrr bzw. Qc haben.« Zum Beispiel ist die C4D40120D dem Namen nach eine 40A, 1200V Diode. Bei einer Temperatur von TC=135°C liegt der Drainstrom aber bei ID=54A. Braucht man nur ca. 40A reicht die C4D30120D (ID=43A @TC=135°C) vollkommen aus. Bei den SiC-MOSFETs liegt das Ganze laut Rocneanu ein wenig anders. Eingeführt wurde der industrieweit erste SiC-MOSFET von Cree (CMF20120D, 1200V, 80mOhm) im November 2011. Inzwischen ist ein 160mOhm 1200V (CMF10120D) im TO-247 Package erhältlich., sowie ein 1700V, 40mOhm (Engineering Sample) und 1200V, 25mOhm MOSFET als Die erhältlich.

Beim Preis liegt der CMF20120D im Vergleich zu einem diskreten Si-IGBT etwa einen Faktor 2-3deutlich höher. Mit der Einführung des 80mOhm MOSFET der zweiten Generation (C2M0080120D) im Februar 2013 konnte der Hersteller die Kosten allerdings um etwa 50 Prozent senken. Das liegt vor allem an einer Verkleinerung der Chipfläche. Ein weiterer großer Vorteil der zweiten Generation ist auch die Reduzierung der Kapazitäten, die zum größten Teil für die Schaltverluste und somit die Wärmeentwicklung verantwortlich sind. Parallel gibt es dazu auch einen 1200V/25mOhm und einen 1700V/40mOhm als Die Variante. Neben dem besseren Preis und den kleineren Schaltverlusten, ist zusätzlich auch der Spannungsbereich der Gate-Source Spannung von -5V auf -10V vergrößert worden. Dadurch kann schneller abgeschaltet werden.

»Die Kosten für Transistoren darf man nicht auf diskreter Ebene vergleichen«, so Rocneanu weiter, »sondern muss sich die Kosten des Gesamtsystems im Detail anschauen«. Zum Beispiel kann mit Erhöhung der Frequenz die Größe der Induktivität signifikant verkleinert werden. Auch Kühlkörper können aufgrund der geringeren Schaltverluste entscheidend verkleinert oder sogar komplett weggelassen werden. Unsere Kunden sind damit in der Lage eine höhere Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung der Systemgesamtkosten zu erzielen. Auf der PCIM 2013 stellte Cree einen »All SiC 10kW Interleaved Boost Inverter« aus bei der Performance, die BOM (Bill of Materials) und die Systemgesamtkosten für SiC und Si beurteilt wurde.

Verglichen wurden der 80mOhm MOSFET der ersten und zweiten Generation von Cree mit einem Si-IGBT der neusten Generation. Der SiC MOSFET lässt sich mit VGS=15V/-2V ansteuern. Eine bessere Performance wird allerdings bei VGS=18V/-2V erreicht. Der Si-IGBT wurde mit 20kHz geschaltet. Für die Cree MOSFETs lag die Schaltfrequenz bei 100kHz.

»Man sieht, dass der C2M0080120D sowohl bei VGS=18V/-2V als auch bei VGS=15V/-2V eine wesentlich bessere Effizienz gegenüber dem Si-IGBT erzielt«, unterstreicht der FAE. Die Effizienz ist natürlich ein wichtiges Merkmal für den Kunden der Applikation. Für den System Designer sind die Verluste und die daraus resultierende Wärmeentwicklung des Systems allerdings wesentlich wichtiger. Daher haben die Experten auch die Wärmeentwicklung mittels Wärmebildkamera aufgenommen. In dem gleichen Inverter haben die Experten zusätzlich noch ein SiC-MOSFET eines Wettbewerbers verglichen. Auch hier gab es ein ähnliches Resultat. Der C2M0080120D ist 15°C kühler als der CMF20120D und fast 38°C kühler als der SiC MOSFET der Konkurrenz. Selbst der CMF20120D bleibt etwa 13°C kälter. Vergleicht man jetzt die BOM, lässt sich folgendes feststellen: »Obwohl der Anteil der Leistungshalbleiter bei der Si-basierten Lösung nur 5 Prozent beträgt, liegen die Gesamtkosten im Endeffekt höher. Dies liegt zum einen daran, dass durch die höhere Frequenz eine Reduzierung der Induktivität erreicht werden konnte und zum anderen, dass die bei SiC-MOSFET wesentlich geringeren Schaltverluste und somit besserer Wärmeentwicklung, der Kühlkörper verkleinert und somit die Kosten reduziert werden konnten«, erklärt Rocneanu. Bei der SiC-basierten Lösung lassen sich die Kosten für die BOM erneut um 5 Prozent reduzieren, wenn man die Schaltfrequenz auf f=100kHz erhöht. Nicht zu vernachlässigen ist auch die erhebliche Reduzierung in Größe und Gewicht des Gesamtsystems. »Die nächsten Monate werden bezüglich SiC sehr spannend«, verspricht Rocneanu. Der hier aufgeführte Spannungsbereich ist natürlich nur ein Beispiel – sollte der Kunde SiC-MOSFETs in anderen Spannungsbereichen oder mit einem anderen RDS(on) benötigen, auch dafür hat MEV eine Lösung parat.