Pre-Switch / IGBT-Treiber SiC-Performance zum IGBT-Preis

Um die Verlustleistung zu reduzieren, nutzen die Entwickler immer innovativere Topologien und Halbleitermaterialien. Doch mit einem erzwungenen, resonanten und weichen Schalten können mit einem besonderen Treiber und künstlicher Intelligenz sogar IGBTs die Performance von SiC-MOSFETs erreichen.

Ziel der Leistungselektronik ist stets, den Wirkungsgrad der Leistungswandler zu verbessern und die Kosten zu senken. Um das zu erreichen, entwickelte die Industrie immer schnellere und verlustärmere Schalter (Superjunction, SiC und GaN), verbesserte immer weiter die Kenndaten der IGBTs oder implementierte immer ausgefeiltere Schaltungstopologien, die aber meist auf hart schaltenden Architekturen basieren. Kein Wunder also, dass IGBTs in 99 % aller Umrichterkonzepte immer noch der De-facto-Standard sind. Allerdings ist zu erwarten, dass der Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) im Laufe der Zeit zunehmen wird, da diese Materialien und Konzepte ihren Weg entlang der Kostenkurve fortsetzten werden.

Heutzutage können Ingenieure aus zahllosen IGBT- und Mosfet-Technologien wählen, um maßgeschneiderte Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln. So wurden beispielsweise mehrere Prozesstechnologien zur Herstellung von IGBTs entwickelt, die sich jeweils gezielt auf bestimmte Umrichtertopologien optimieren lassen. Die Field-Stop-Trench-Technologie (FS) mit ihren zahlreichen Adaptionen und Spezialisierungen durch jeden der führenden Hersteller bildet das Fundament von Umrichtern, denn solche IGBTs senken die Verluste deutlich.

Die meisten der neuesten Generation von IGBTs der großen Hersteller verwenden Kombinationen aus Trench-Zellen-Geometrie und Field-Stop-Struktur, um die Konzentration an Ladungsträgern zu optimieren. Durch den Einsatz dieser Struktur erhöht sich die Ladungsträgerdichte in der Nähe des Trench-Gates. Dadurch entstehen Bausteine, deren Durchlassspannung UCE(sat) deutlich niedriger ist. Durch spezielle Implantations- und Tempertechniken verringert sich die Lebensdauer der Ladungsträger in der Nähe des rückseitigen p-Emitters. Dadurch und durch eine reduzierte Dotierung und ein optimiertes Design werden die Ladungsträger beim Abschalten mit minimiertem Stromabfall extrahiert. Dies ist offensichtlich von Vorteil beim Betrieb mit hoher Schaltfrequenz. Es gibt noch einige weitere Möglichkeiten, den Wirkungsgrad der Anwendung schrittweise zu verbessern, etwa das Tempern der Rückseite und das weitere Dünnen des Wafers.

Doch die physikalischen Grenzen des Halbleitermaterials und die zusätzlichen Kosten durch neuere und anspruchsvollere Fertigungsprozesse sind eine echte Herausforderung. Andererseits sind die Möglichkeiten, die Topologien mit siliziumbasierten Bausteinen weiter zu verbessern, von Natur aus begrenzt. GaN- oder SiC-basierte Schalter bieten da neue Ansätze, denn ihr Verbesserungspotenzial ist groß, bezogen auf die physikalischen Grenzen des Materials [1].

Andererseits ist das Verbesserungspotenzial begrenzt, da mit jedem Anstieg der Frequenz auch die resultierende Abstrahlung und die extremen Spannungsspitzen begrenzt werden müssen. Dies lässt sich durch Snubber oder durch Reduzieren der Schaltgeschwindigkeit der Transistoren lösen. Mit anderen Worten: Der flächendeckende und praxistaugliche Einsatz neuer Leistungsschalter – ganz zu schweigen von den Vorteilen einer schrittweisen Reduzierung von Größe und Kosten des Wandlers – bleibt unerreichbar, wenn der Wandler an die herkömmlichen Schaltarchitekturen gebunden bleibt.

Wie bereits ausgeführt, wurden die Transistoren aus Silizium und nun auch aus Wide-Bandgap-Materialien im Laufe der Zeit stetig verbessert. Aber niemand ist bislang auf die grundsätzlichen Einschränkungen von hart schaltenden Architekturen eingegangen. Dies ist der sprichwörtliche 400-Kilo-Gorilla der Leistungselektronik. Die Einschränkungen des harten Schaltens sorgen dafür, dass die Kosten, die Größe und das Gewicht eines Leistungswandlers hoch bleiben, während gleichzeitig die Wirkungsgrade niedriger bleiben als theoretisch möglich.

Somit stellt sich die Frage: Ist weiches Schalten (Soft Switching) die Antwort? Obwohl das Konzept auf die 1980-er Jahre zurückgeht, wird weiches Schalten immer noch nur in eigenresonanten DC/DC-Wandlern verwendet, die heute nur einen kleinen Teil des Marktes für Leistungswandler mit mehr als 100 Milliarden US-Dollar ausmachen. Weich schaltende, galvanisch getrennte Netzteile wurden noch nie perfektioniert, weshalb die Leistungselektroniker das weiche Schalten für leistungsstarke Netzteile als den »heiligen Gral« der Leistungselektronik bezeichnen.