Wirkungsgrad und Ökologie

Effizientere Leistungswandler dank SiC-Transistoren

8. November 2021, 12:23 Uhr | Von Francesco Saya, Marketing Development Engineer, und Rosario Attanasio, Application Engineering Manager, beide STMicroelectronics

In vielen Leistungswandlungs-Anwendungen bringen AC/DC-Wandler-Topologien bei hohen Wirkungsgraden Restriktionen mit sich. Dieser Artikel zeigt, wie sich die Eigenschaften von SiC auf die Leistungsfähigkeit von SiC-Transistoren auswirken, und erläutert die Unterschiede zu Si-basierten IGBTs.

Leistungswandlungs-Systeme ziehen unter Effizienzgesichtspunkten immer mehr Aufmerksamkeit auf sich und gewinnen aus ökonomischen wie aus ökologischen Gründen zunehmend an Bedeutung. So verlangen die in der Titanium-Klasse des 80-PLUS-Standards definierten Effizienzwerte einen Wirkungsgrad von 96 Prozent (bei 50 Prozent Last). Alternative, effizientere Topologien und die Verwendung von Transistoren auf der Basis von WBG-Materialien (Wide Bandgap) können helfen, durch Minimierung der Gesamtverluste die Effizienz zu verbessern.

So liegt das Hauptaugenmerk dieses Artikels auf den mit SiC-Transistoren erzielbaren Wirkungsgradsteigerungen. Dies wird anhand zweier Beispiele beleuchtet, nämlich an einer brückenlosen Totem-Pole-PFC-Topologie und an einem Halbbrücken-Wechselrichter. Beide Topologien eignen sich für eine große Vielzahl von Anwendungen, von Motorregelungen über unterbrechungsfreie Stromversorgungen bis hin zu Systemen zur Erzeugung erneuerbarer Energie. Nachdem die Beispiele auf ihre Verluste untersucht sind, werden die daraus resultierenden Ergebnisse am Ende des Beitrags zusammengefasst.

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Was sind eigentlich Wide-Bandgap-Werkstoffe?

WBG-Materialien weisen zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband eine breitere Lücke auf als Silizium. Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sind heute die am häufigsten eingesetzten WBG-Werkstoffe. Der Tabelle 1 sind die wichtigsten Eigenschaften von WBG- und Si-basierten Materialien zu entnehmen.

Viele Materialverbindungen liegen in unterschiedlichen Kristallstrukturen (Polymorphien) vor. Siliziumkarbid ist in dieser Hinsicht sehr besonders, haben Forscher doch mehr als 250 verschiedene SiC-Polymorphien gefunden. 3C-SiC und 4H-SiC sind dank ihrer herausragenden Halbleitereigenschaften die meistverwendeten Polytypen. Die für diesen Artikel verwendeten SiC-Transistoren basieren auf 4H-SiC.

Die in der Einheit eV ausgedrückte Breite der Bandlücke gibt den Abstand zwischen dem unteren Rand des Leitungsbands und dem oberen Rand des Valenzbands in einem kristallinen Festkörper an. Bei Halbleitern liegt dieser als EG bezeichnete Wert zwischen 1 eV und 4 eV. Werkstoffe mit EG > 9 eV sind in der Regel Isolatoren, während man es mit einem elektrisch leitenden Werkstoff zu tun hat, wenn EG kleiner als 1 eV ist.

Als ein Maß dafür, wie schnell sich ein Elektron unter dem Einfluss eines elektrischen Felds durch das Material bewegen kann, dient die Elektronenbeweglichkeit. So wirkt sich die breitere Bandlücke und die geringere Elektronenmobilität eines SiC-MOSFET gegenüber einem Si-basierten MOSFET auf den Kanalwiderstand aus. Dieser ist bei SiC-MOSFETs größer als bei Si-MOSFETs, weshalb in der Regel eine höhere Eingangsspannung erforderlich ist, um einen SiC-MOSFET in die Sättigung zu treiben.

Auf der anderen Seite sorgt die breitere Bandlücke dafür, dass die Abhängigkeit des Leckstroms von der Temperatur bei SiC-MOSFETs geringer ist. Überdies ist die Betriebstemperatur von SiC-MOSFETs deutlich höher und wird nur durch die Zuverlässigkeitseigenschaften des Gehäuses begrenzt. Abhängig ist der Einschaltwiderstand von Hochspannungs-MOSFETs hauptsächlich von ihrer Dicke und dem spezifischen Widerstand der Driftschicht (Bild 1).

Bei SiC-MOSFETs ist die Durchbruchfeldstärke zehnmal größer als bei Si. Bei gleicher Durchbruchspannung müssen der spezifische Widerstand und die Dicke der Driftschicht also geringer sein, weil SiC-MOSFETs gegenüber Si-basierten MOSFETs einen extrem geringen R_DS(on)aufweisen. Auskunft über die theoretische Grenze des Einschaltwiderstands pro Flächeneinheit für WBG- und Si-basierte Transistoren gibt Bild 2.

Während die derzeit angebotenen Si-basierten Transistoren bezüglich des Einschaltwiderstands pro Flächeneinheit an ihren Grenzen angelangt sind, steht die Entwicklung der Technologie zur Herstellung von SiC-Bauelementen noch ganz am Anfang, sodass hier für künftige Generationen noch Verbesserungen zu erwarten sind.

Hervorzuheben ist die Tatsache, dass ein SiC-MOSFET bei gleichem Einschaltwiderstand und gleicher Durchbruchspannung deutlich weniger Fläche benötigt als ein konventioneller Silizium-MOSFET. Er weist demzufolge geringere Kapazitäten und eine geringere Gate-Ladung auf, was wiederum in kleinen Schaltverlusten und mehr Effizienz resultiert.

Die höhere Wärmeleitfähigkeit äußert sich durch einen niedrigeren Wärmewiderstand. Eine Folge des bei gleicher Fläche wesentlich geringeren thermischen Widerstands von SiC-MOSFETs ist eine niedrigere Sperrschichttemperatur im Betrieb.