Interview mit Dr. Henning Hausenstein von International Rectifier GaN-Bausteine für Automotive - kein Ding der Unmöglichkeit

Hybrid-Elektrofahrzeuge brauchen leistungsstarke Leistungshalbleiter. In der Regel sind diese aufgrund der hohen Siliziummengen und niedrigen Stückzahlen kostenintensiv. International Rectifier hat hierfür die CooliR-Plattform entwickelt. Dr. Henning Hauenstein, IR’s Vice President und General Manager Automotive, verriet im Interview mit der Elektronik automotive, welche Vorteile dieses Konzept mit sich bringt und wie es sich langfristig auf Galliumnitrid (GaN) bauen lässt.

Elektronik: Herr Hauenstein, Automotive wird bei IR groß geschrieben. Welchen Anteil nimmt der Bereich am Gesamtumsatz ein? Wie viel Prozent davon fällt auf die Elektromobilität?

Dr. Hennig Hauenstein: Bis jetzt beläuft sich der Anteil auf etwa 11 bis 12 Prozent des Gesamtumsatzes, was ungefähr 130 Mio. US-Dollar entspricht. Er soll innerhalb der nächsten 8 Jahre auf 20 Prozent Automotive-zyklisch wachsen. Auf den Bereich Elektromobilität legt International Rectifier großen Wert, er macht bereits jetzt etwa ein Viertel des Automotive-Anteils aus.

Elektronik: Stichwort Elektromobilität - IR hat vor kurzem ein neues Leistungselektronikkonzept für Hybrid-Elektrofahrzeuge entwickelt…

Dr. Hauenstein: Das ist richtig, wir haben unsere Entwicklungsarbeit auf eine neue IGBT-Generation ausgerichtet, die applikations-spezifisch auf Hybridfahrzeuge bzw. auf die Elektrifizierung des Powertrains zielt. Das sind im Wesentlichen zwei Schwerpunkte: Zum einen die Energieentwicklung/Energieversorgung, DC/DC oder DC/AC-Power-Supply und Energie-Management, wo sehr schnell geschaltet werden muss, und zum anderen Motor-Drive, also der 10-kHz-Bereich, in dem Elektromotoren geschaltet werden.

Für diese Schwerpunkte hat IR eine IGBT- und Verpackungstechnologie entwickelt. Gezielt. Nicht einfach Industrie-modifiziert, sondern gezielt auf HEV-Applikationen designt. Ganz bewusst haben wir auf niedrige Kosten geachtet. Das ist immer noch das Hauptakzeptanzproblem des elektrischen Power-trains - er ist zu teuer. Die OEMs sprechen von Faktor 2, den sie aus den Systemkosten herausholen müssen. Weil der Siliziumanteil (Si) sehr hoch ist, ist Si natürlich ein Ansatzpunkt. Da lassen sich erhebliche Kosten sparen. Deshalb haben wir die Trademark CooliR entwickelt. Die steht für IRs neue Si-Bauelemente, vor allem im HV-Bereich. Dann gibt es CooliR
2, also Dualside-Cooling, was die Package-Plattform betrifft.

 

Elektronik: Welche konkreten Vorteile bringen IRs neuen Produkte für den OEM?

Dr. Hauenstein: Wir haben einen schnellschaltenden IGBT entwickelt und ich denke, dass es der am schnellsten schaltende IGBT ist, den es derzeit auf dem Markt gibt - dieser kann bis zu 200 kHz schalten. In der Vergangenheit hat man von schnell schaltenden IGBTs bei 30, 60 bis 70 kHz gesprochen, wir selbst hatten einen IGBT, der 80 bis 90 kHz schalten konnte. Unsere Wettbewerber stellen z.T. 100-kHz-IGBTs als neueste Entwicklung gerade erst vor.

Wir haben unsere CooliR-Generation 1 mit sogenannten Superjunction-MOSFETs, der klassischen Alternative für schnell schaltende DC/DC-Wandlung, verglichen. Ein Superjunction-MOSFET ist ein sehr komplexer Baustein mit vielen Masken, sehr empfindlich in Bezug auf Robustheit, insbesondere beim Hochstrom-/Hochtemperaturbereich gibt es häufig Probleme in der Applikation. Das haben wir mit der CooliR-IGBT-Plattform gelöst. Der Baustein ist robust; ein IGBT mit wenigen Masken. Im Wesentlichen ist es ein Standard-IGBT-Prozess, bei dem wir neue Ideen in die Prozessentwicklung gesteckt haben. Und zwar mit Kosten, die sich im normalen IGBT-Rahmen bewegen. Damit ist unser IGBT mehr als den Faktor 2 günstiger als vergleichbare HV-MOSFET-Alternativen. Zudem ist unser Baustein für 175 °C geeignet, wohingegen Superjunction-MOSFETs in der Regel für 150 °C ausgelegt sind. Der CooliR-IGBT lässt sich in allen Standardverpackungen einsetzen. Die Demo-Boards für den kompletten Chipsatz sind vorhanden und wir haben den passenden HVIC, mit dem wir die IGBTs schnell verbreiten können. Somit, denke ich, hat IR auf der Energie-Management-Seite ein ausgezeichnetes Produkt, das die DC/DC- und die AC/DC-Wandlung, Charger oder On-Board-Energiewandler adressiert.

Mit dem Baustein konnten wir bereits sehr viel Design-In-Erfolge verbunden - auch in Japan, wo wir bereits bei einem marktführenden Automobilhersteller eindesignt sind. Das ist äußerst erfolgversprechend, insbesondere weil es gut passt: Wir haben jetzt eine Technologieführerschaft mit unseren IGBTs aufgebaut, die qualitativ hochwertig sind. Das hat uns auf dem japanischen Markt zurück ins Geschäft gebracht.

Elektronik: Zurück?

Dr. Hauenstein: Bevor wir unsere Automotive-Produkte anbieten konnten, waren wir in Japan nicht als hochwertiger Automobilzulieferer bekannt. In Japan kommt im Vergleich zu Deutschland die Qualität an erster Stelle und dann folgt die Technologie. In Deutschland lässt sich über Technologie viel erreichen, wenn die Qualität im Nachhinein passt. Zusätzlich muss man sagen, dass sich der japanische Markt durch die Umweltkatastrophen 2011 Zulieferern außerhalb Japans viel mehr geöffnet hat.

Elektronik: Und was entwickelt IR für den Bereich Motor-Drive?

Dr. Henning Hauenstein: Parallel dazu möchte IR den Motormarkt ansprechen. Hierfür haben wir unsere CooliR2-Produkte in der Entwicklung, die wir wahrscheinlich zur electronica launchen werden. Damit adressieren wir den 10-kHz-Bereich. Ergänzend haben wir eine Diode entwickelt. IR hatte ja sein Diodengeschäft an Vishay verkauft, was sich im Nachhinein insbesondere im Automobilbereich als Nachteil herausgestellt hat. Deshalb gibt es für unsere IGBTs eine entsprechende Diode, die ebenfalls für 175 °C ausgelegt ist und den Chipsatz vervollständigt. Sie punktet in der aktuellen Generation mit einer dünnen Wafer-Technologie von 70 µm für die 600-/680-V-Produkte, die wir hier fertigen. Damit sind wir auf einer Technologieebene, die auch Infineon oder andere Halbleiterhersteller momentan vertreten.