Bipolartransistor reloaded Neuartiger Halbleiter aus Siliziumkarbid

Siliziumkarbid kann den Bipolartransistoren wieder neues Leben einhauchen. Im Gegensatz zu ihren siliziumbasierenden Pendants zeichnen sie sich durch geringere Leitungsverluste, eine hohe Durchschlagfestigkeit und einen stabilen Betrieb über einen größeren Temperaturbereich aus.

Vor rund 30 Jahren haben CMOS-Bauteile wie MOSFETs und IGBTs Silizium-basierende Bipolartransistoren (BJT, Bipolar Junction Transistor) in den meisten Leistungsdesigns abgelöst. Heute sind neue BJT-Varianten auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) erhältlich, die besonders für Anwendungen mit hohen Spannungen interessant sind.

Die SiC-Technologie erlaubt höhere Schaltfrequenzen bei gleichen oder geringeren Verlusten und liefert eine höhere Ausgangsleistung bei identischem Formfaktor. Designs mit SiC-BJTs können dadurch kleinere Induktivitäten verwenden, was mit substanziellen Kosteneinsparungen verbunden ist. Die mit einem Siliziumkarbid-Prozess erzeugten Bipolartransistoren sind zwar teurer als die Pendants aus Silizium, aber durch die Vorteile des anderen Halbleitermaterials sind Einsparungen im Design und somit niedrigere Gesamtkosten möglich.

Es gibt verschiedene Gründe, warum siliziumbasierende Bipolartransistoren in Hochvolt-Anwendungen in Ungnade gefallen sind. So verursacht ihre geringere Stromverstärkung hohe Ansteuerungsverluste, die bei höheren Strömen noch zunehmen. Der Bipolar-Betrieb führt außerdem zu höheren Schaltverlusten und bewirkt einen hohen dynamischen Widerstand innerhalb des Bauteils. Auch die Zuverlässigkeit ist ein Problem, denn beim Betrieb des Bauteils mit Vorspannung (Bias) in Durchlassrichtung können sich Filamente mit hoher Temperatur und hoher Stromdichte bilden, die einen Bauteileausfall auslösen können.

Durch den Spannungs- und Stromstress beim Schalten induktiver Lasten kann sich die elektrische Feldbeanspruchung über den Driftbereich hinaus verschieben, was einen Durchbruch in Sperrrichtung zur Folge haben kann. Dies begrenzt den RSOA-Bereich (Reverse Safe Operation Area) sehr stark und bedeutet, dass siliziumbasierte BJTs nicht kurzschlussfest sind.

Vorteile von Siliziumkarbid

Die neuen Bipolartransistoren aus SiC kennen diese Probleme nicht. Siliziumkarbid hat einen dreimal größeren Bandabstand als Silizium, was eine höhere Stromverstärkung und geringere Ansteuerungsverluste zur Folge hat, sodass BJTs effizienter sind. Die Durchbruchfeldstärke von Siliziumkarbid ist zehnmal höher als bei Silizium, sodass das Bauteil weit weniger anfällig für eine thermische Instabilität und viel zuverlässiger ist. Auch für höhere Temperaturen eignet sich Siliziumkarbid besser; somit ergibt sich ein größerer Anwendungsbereich, der sogar Umgebungen im Automobilbereich umfasst.

Aus Kostensicht ermöglichen die hohen Schaltfrequenzen von Siliziumkarbid Einsparungen auf Hardware-Ebene. Ein auf SiC basierender Bipolartransistor ist zwar teurer als die Siliziumvariante, aber die hohe Leistungsdichte des SiC-Prozesses erlaubt eine höhere Chipauslastung sowie den Einsatz eines kleineren Kühlkörpers und kleinerer Filterelemente.

Die Verwendung der teureren SiC-BJTs spart langfristig zudem Geld, weil das Gesamtsystem kostengünstiger zu produzieren ist. Ein Beispiel dafür ist der im Folgenden vorgestellte Aufwärtswandler. Er ist für den Einsatz in einem Photovoltaiksystem mit einer Nennleistung von 17 kW, einer Ausgangspannung von 600 V und einer Eingangsspannung von 400 V bis 530 V vorgesehen.

Hohen Wirkungsgrad erreichen

Die Treiberschaltung für SiC-Bipolartransistoren in Bild 1 reduziert die Verluste und erhöht dadurch die Systemeffizienz. Der Treiber macht zwei Dinge: Durch ein schnelles Laden und Entladen der Bauteilekapazitäten gewährleistet er eine hohe Schaltgeschwindigkeit und stellt sicher, dass ein kontinuierlicher Basisstrom den Transistor im eingeschalteten Zustand in der Sättigung hält.

Zur Unterstützung des dynamischen Betriebs ermöglicht die Treiberversorgungsspannung von 15 V schnellere Schaltvorgänge und verbessert die Leistung. Die Schwellenspannung des SiC-BJTs liegt bei etwa 3 V. Normalerweise ist keine negative Ansteuerungsspannung oder eine Miller-Klemmung nötig, um die Störungsimmunität zu erhöhen.

Bipolartransistoren aus Siliziumkarbid sind im »Normalzustand« ausgeschaltet und werden nur aktiviert, wenn ein kontinuierlicher Basisstrom fließt. Die Einstellung der Höhe des Basisstroms für einen statischen Betrieb erfordert einen Kompromiss zwischen Leitungsverlusten und Ansteuerungsverlusten. Die Ansteuerungsverluste sind bei einem SiC-BJT trotz der höheren Verstärkung (und damit des niedrigeren Basisstroms) wichtig, weil der größere Bandabstand von Siliziumkarbid eine höhere Durchlassspannung zwischen der Basis und dem Emitter erfordert.

Eine Verdopplung des Basisstroms von 0,5 A auf 1 A senkt den Ersatzwiderstand in Vorwärtsrichtung um nur 10%, somit mussten die Leitungsverluste reduziert und gleichzeitig die Sättigung erhöht werden. Dies war eine wichtige Überlegung für den Aufwärtswandler, weil dieser mit einer höheren Stromwelligkeit arbeitet. Ein Basisstrom von 1 A erhöht die Schaltmöglichkeit auf 40 A.

Die statischen Ansteuerungsverluste sind von der gewählten Ansteuerungsspannung und der Eingangsspannung (die indirekt das Tastverhältnis bestimmt) abhängig. Eine Ansteuerungsspannung von 15 V, die für hohe Schaltgeschwindigkeiten benötigt wird, verursacht einen Verlust von beinahe 8 W, hauptsächlich über dem Basiswiderstand. Um diesen Verlust auszugleichen, kommen zwei gesonderte Versorgungsspannungen für den dynamischen und den statischen Betrieb zum Einsatz.

Das Konzept ist in Bild 1 dargestellt. Das Steuersignal für den Hochspannungstreiber wird »zerhackt«, sodass es nur während der Schaltzeit aktiviert wird. Die statische Ansteuerungsstufe wird über eine niedrigere Spannung versorgt, welche die statischen Verluste reduziert und während der gesamten Einschaltzeit aktiv bleibt.

Filtergröße reduzieren

Ein Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen reduziert die Kosten der passiven Elemente. Um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen, wurden Möglichkeiten untersucht, um die Filterinduktivität zu verbessern. Nach der Überprüfung verschiedener Kernmaterialien entschied man sich für einen erst seit kurzem erhältlichen Schnittbandkern aus »Vitroperm 500F«, einem dünnen, laminierten nanokristallinen Werkstoff der Vacuumschmelze (VAC).

Das Material zeichnet sich durch geringe Verluste und gute Eigenschaften bei hohen Frequenzen aus. Es erlaubt einen Betrieb bei einem hohen Sättigungsfluss, dadurch kann ein derartiger Kern viel kleiner sein (rechts in Bild 2). Durch die Verwendung des Vitroperm-Kerns ließ sich die Größe der Filterinduktivität im Vergleich zu einem Standard-Ferritkern auf etwa ein Viertel reduzieren.

Bild 2 zeigt auch das Verhältnis von Schaltfrequenz zur Größe der Induktivität für unterschiedliche Materialien bei einer maximalen Stromwelligkeit von 40%. Hier wurde angenommen, dass das Volumen der Induktivität vom Wert der Induktivität abhängig ist, die sich durch die maximale Flussdichte und die Schaltfrequenz bestimmt. Nach dem Erreichen eines kritischen Punkts mit spezifischen Verlusten von 100 mW/cm³ muss die maximale Flussdichte reduziert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden. Ein Betrieb jenseits dieses Punktes erlaubt keine weitere deutliche Verkleinerung. Vitroperm 500F bietet unter allen untersuchten Materialien die beste Leistung.

Bild 3 zeigt die gemessenen Wirkungsgrade einschließlich der Ansteuerungsverluste bei der zweistufigen Lösung. Die Verteilung der Verluste laut Berechnungen ist unter den Kurven dargestellt. Das System eignet sich für hohe Stromlasten, ohne kritische Temperaturen zu erreichen oder in Sättigung zu gehen.

Die zweistufige Ansteuerungslösung senkte die Ansteuerungsverluste auf ungefähr 0,02% der Eingangsleistung.

Durch die insgesamt niedrigeren Verluste lässt sich die Größe des benötigten Kühlkörpers reduzieren und die höhere Schaltfrequenz ermöglicht kleinere Filterelemente. All diese Merkmale tragen schließlich zur Senkung der Systemkosten bei.

Über die Autoren:

Samuel Araujo ist Forschungsgruppenleiter Leistungselektronik, Lucas Menezes ist wissenschaftlicher Mitarbeiter, Peter Zacharias ist Leiter des Kompetenzzentrums für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik, alle an der Universität Kassel und Tomas Hjort ist Manager Sales & Marketing für SiC-Technologien bei Fairchild Semiconductor.