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Rohm: SiC-MOSFETs der vierten Generation

2-in-1-SiC-Module für kompakte xEV-Wechselrichter

28. Januar 2025, 8:00 Uhr | Von Imane Fouaide

Kompaktere, effizientere und leichtere elektrische Antriebe tragen entscheidend dazu bei, die Reichweite von Elektrofahrzeugen der nächsten Generation zu verbessern.

Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) gewinnen bei der Entwicklung elektrischer Antriebssysteme immer mehr an Bedeutung. Bisher war es jedoch schwierig, geringe Verluste bei kleiner Baugröße zu erreichen. Rohm stellt sich dieser Herausforderung mit seinem TRCDRIVE pack.

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Mobilität ist ein wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens. Ein rascher Umstieg auf klimaneutrale und energieeffiziente Verkehrsmittel leistet einen wichtigen Beitrag für eine grünere Zukunft. Dabei spielt die Entwicklung von kompakteren, effizienteren und leichteren elektrischen Antrieben eine entscheidende Rolle, um die Verbreitung von Elektrofahrzeugen der nächsten Generation (xEVs) zu fördern und Umweltziele wie die Kohlenstoffneutralität zu erreichen. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen ist der verbesserte Wirkungsgrad des Antriebsumrichters von großer Bedeutung, damit die Reichweite erhöht und die Größe der Bordbatterie reduziert werden kann.

An der Bedeutung von Siliziumkarbid für die Automobilindustrie herrscht kein Zweifel. Allein die Umsatzzahlen der letzten Jahre bestätigen, dass gerade die europäische und asiatische Automobilindustrie durch die Transformation zur Elektromobilität immer noch stark am Wachsen ist. Rohm unterstützt diese Transformation durch mehrere bestätigte Kooperationen mit Herstellern von Fahrzeugen und Traktionswechselrichtern.

Zweijähriger Entwicklungszyklus fördert Innovationen

Um dem Innovationsfortschritt in der Automobilindustrie gerecht zu werden, kündigte Rohm an, den Entwicklungszyklus der SiC-Generationen auf zwei Jahre zu senken. Deswegen ist aber keinesfalls mit Bauteilabkündigungen zu rechnen. Rohms Produktionskapazitäten erlauben eine Fortsetzung der Produktion älterer Generationen, sodass je nach Laufzeit der Produkte auch die Anforderungen in Bezug auf Bauteilverfügbarkeit von langlebigen Industrieanwendungen erfüllt werden können.

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Damit die Fertigung der Neuentwicklungen auch gelingt, nutzt Rohm den »Brown Field«-Ansatz. Durch die Umrüstung von bestehenden Fabriken, wie dem Werk Miyazaki, wird dort die Produktion von 8-Zoll-Substraten bereits in diesem Jahr beginnen. Somit sinkt die Bauzeit von Produktionsstätten um zwei Jahre im Gegensatz zu einem Neubau, da bereits vorhandene Infrastruktur genutzt werden kann. Dadurch ist es Rohm möglich, die Produktion von Modulen um das 30-fache im Vergleich zu herkömmlichen SiC-Gehäusemodulen zu steigern. Ab der fünften Generation von SiC-MOSFETs wird die Produktion dann auf den 8-Zoll-Substraten laufen, was die Fertigungskapazitäten signifikant steigern wird.

Zusätzlich kündigten Rohm und Toshiba eine Zusammenarbeit zur Herstellung von Leistungshalbleitern an. Unterstützt wir dieser Plan, der zur Sicherstellung einer stabilen und sicheren Halbleiterversorgung beitragen kann, vom japanischen Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI). Beide Unternehmen investieren intensiv in die Produktion von Siliziumkarbid- und Silizium-Leistungshalbleitern, um ihre Lieferkapazitäten zu verbessern und gegenseitig Produktionskapazitäten zu nutzen.

SiC-Bauelemente als Schlüsselkomponenten der E-Mobilität

Für SiC-Leistungsbauelemente stellt es jedoch eine große Herausforderung dar, geringe Verluste bei kleiner Baugröße zu erreichen. Rohm löst dieses Dilemma mit seinem TRCDRIVE pack.

TRCDRIVE pack ist ein Markenzeichen für SiC-Module von Rohm, die speziell für Traktionswechselrichter-Anwendungen entwickelt wurden und durch eine einzigartige Struktur zur Maximierung der Wärmeableitfläche deren Größe reduziert. Durch die Integration von Rohms SiC-MOSFETs der 4. Generation mit niedrigem Einschaltwiderstand wird eine branchenführenden Leistungsdichte erreicht, die 1,5 mal höher ist als bei herkömmlichen SiC-Modulen. Gleichzeitig trägt sie erheblich zur Miniaturisierung von Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge bei.

Bei den TRCDRIVE-pack-Module von Rohm handelt es sich um Halbbrücken-Module, welche mit SiC-FETs der vierten Generation bestückt sind. Diese Module sind so konzipiert, dass sie eine hohe Stromdichte und geringe Schaltverluste bieten. Mit Modulen wie diesen kann die Automobilindustrie den technologischen Wandel schaffen und hocheffiziente Antriebe liefern (Bild 1).

Das TRCDRIVE pack zeichnet sich durch seine Leistungsfähigkeit aus. Ein einseitiges, hochwärmeleitfähiges Gehäuse sorgt für einfache Montage und hohe Stromdichte. Durch optimierte interne Anordnung wird eine sehr geringe Induktivität von 5,7 nH erreicht. Diese wird durch eine zweilagige Bus-Bar-Struktur ermöglicht, die den Strompfad maximiert. Durch einen sehr geringen Einschaltwiderstand (RDS(on)) kann eine branchenführende Stromdichte von 19,1 Arms/cm² erreicht werden. Erhältlich sin die Module für Spannungen von 750 V und 1.200 V.

Mit Leistungen von bis zu 300 kW und der ausgezeichneten Leistungsdichte, trägt das Modul dazu bei, die wichtigsten Anforderungen von Traktionswechselrichtern hinsichtlich Miniaturisierung, höherer Effizienz und weniger Entwicklungsaufwand zu erfüllen. Durch die Steuersignalklemmen mit Einpressstiften ist ein einfacher Anschluss durch simples Aufstecken der Gate-Treiber-Platine von oben möglich.

Das TRCDRIVE-pack-Produktspektrum

TRCDRIVE pack wird bis März 2025 mit einer Serie von zwölf Modellen in verschiedenen Gehäusegrößen (Small / Large) und Montagemustern (TIM: Wärmeableitblech / Ag-Sinter) integriert werden. Darüber hinaus entwickelt Rohm ein 6-in-1-Produkt mit integriertem Kühlkörper. Dieses ermöglicht ein schnelles Design von Antriebswechselrichtern und die Markteinführung von Modellen, die auf eine Vielzahl von Design-Spezifikationen zugeschnitten sind (Bild 2).

Rohm bietet umfangreiche Unterstützung auf Anwendungsebene, einschließlich der Nutzung des hauseigenen Motorprüf-Equipments. Darüber hinaus stellt das Unternehmen eine Vielzahl von Hilfsmaterialien zur Verfügung, zum Beispiel Simulationen und thermische Designs, die eine schnelle Bewertung und Einführung von TRCDRIVE-pack-Produkten ermöglichen. Es sind auch zwei Evaluierungskits erhältlich, eines für Doppelpulstests und das andere für 3-Phasen-Vollbrückenanwendungen, die eine Evaluierung unter ähnlichen Bedingungen wie bei Wechselrichterschaltungen ermöglichen (Bild 3).

Rohms Evaluierungskit für Doppelpulstests verfügt über vorgefertigte, verschraubte externe Anschlüsse, die zusätzliches Schweißen der Klemmen überflüssig machen. Es sind keine speziellen Kondensatoren erforderlich, was eine Bewertung in verschiedenen Standardumgebungen ermöglicht. Versorgt wird das Gate-Driver-Board mit 24 V, die Schaltfrequenz liegt bei maximal 20 kHz. Abhängig ist die Betriebsspannung von der Stehspannung des jeweiligen Kondensators/Bauelements.

Auch das Evaluierungskit für 3-Phasen-Vollbrückenanwendungen verfügt über vorgeschweißte, verschraubte externe Klemmen sowie über vorgeschweißte Kondensatoren und ein integriertes Kühlsystem. Weitere Spezifikationen sind eine Gate-Driver-Board-Versorgung von 24 Volt, eine Schaltfrequenz von bis zu 20 kHz und eine Betriebsspannung von bis zu 900 Volt.

Mehr Effizienz und Zuverlässigkeit durch EcoSiC

Elektrofahrzeuge sind zwar nachhaltig, allerdings ist es ebenso wichtig, die genutzten Komponenten im Fahrzeug ebenfalls nachhaltig zu gestalten. Als weltweit erster Anbieter, der 2010 mit der Massenproduktion von SiC-MOSFETs begann, ist Rohn weiterhin führend in der Entwicklung der SiC-Bauteiltechnologie. Diese Bauelemente werden unter der Marke EcoSiC vermarktet und beinhalten ein umfangreiches Sortiment, das Bare Chips, diskrete Komponenten und Module umfasst.

EcoSiC steht für Siliziumkarbid-Produkte mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit, insbesondere in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, industriellen Geräten und Systemen für erneuerbare Energien. Mit der Einführung von EcoSiC positioniert sich Rohm als Anbieter fortschrittlicher und nachhaltiger Technologien, die auf höhere Schaltfrequenzen, geringere Verluste und umweltfreundliche Eigenschaften abzielen. Dabei symbolisiert das EcoSiC-Logo die Verbindung zwischen Ökosystem und technologischer Exzellenz und ist Teil des übergeordneten »Power-Eco-Family«-Konzepts, das Effizienz und Kompaktheit elektronischer Anwendungen maximieren soll. Bereits heute erfolgt die Produktion der EcoSiC-Module CO2-neutral.