Elektroniknet Logo

Wirkungsgrad und Ökologie

Effizientere Leistungswandler dank SiC-Transistoren

STMicroelectronics
Bild 1: Querschnitt durch einen SiC-Transistor
© 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.

Relevante Anbieter

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.

STMicroelectronics
Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von Si und WBG-Materialien
© STMicroelectronics

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).

STMicroelectronics
Bild 2: Theoretischer Einschaltwiderstand pro Flächeneinheit als Funktion der Durchbruchspannung
© STMicroelectronics

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 RDS(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.

STMicroelectronics
Bild 3: Ausgangskennlinien von SiC-Transistoren und IGBTs
© STMicroelectronics

  1. Effizientere Leistungswandler dank SiC-Transistoren
  2. Der SiC-Transistor in seinem Umfeld
  3. Wechselrichter als zweites Beispiel

Das könnte Sie auch interessieren

Infineon, Silicon Carbide

Liefersicherheit bei Siliziumkarbid

Infineon schließt Liefervertrag mit Showa Denko

Rohm Semiconductor, Wolfram Harnack

Rohm Semiconductor plant Investitionen

»Wir setzen auf GaN als Ergänzung für mittleren…

Rohm Semiconductor, GaN, Gallium Nitride

Rohm Semiconductor

150-V-GaN-Transistor mit 8 V Gate-Spannung

Reinraum

Investitionsprogramm

250 Milliarden für die US-Halbleiterindustrie

Nexperia, Semiconductors

Standort Europa gestärkt

Nexperia investiert 700 Mio. US-Dollar vor allem…

STMicroelectronics, Tower Semiconductor, Agrate R3

300-mm-Waferfab Agrate R3

Tower Semiconductor zieht bei STMicroelectronics…

Die Kooperation mit Arrival umfasst Prozessor-, Stromversorgungs- und Batteriemanagement-Produkte.

Spitzentechnologie für E-Fahrzeuge

STMicroelectronics kooperiert mit Arrival

APEC

Leistungselektronik

Produkt-Highlights der Virtual APEC 2021

Renault und ST partnern bei SiC- und GaN-Bauteilen für E-Fahrzeuge.

Renault und STMicroelectronics

Strategische Leistungselektronik-Kooperation

EBV Elektronik

Advertorial

Nach Si kommt SiC

Nexperia, Newport Wafer Fab

Weitere Fertigungskapazitäten gesichert

Nexperia erwirbt Newport Wafer Fab

WAYON

WAYON

700-V-Superjunction-Mosfets

200-mm-SiC-Wafer

STMicroelectronics

Erste 200-mm-SiC-Wafer produziert

Infineon Technologies

Interview mit Dr. Peter Friedrichs

20 Jahre Siliziumkarbid bei Infineon

Vishay

1200-V-Ultrafast-Gen-5-Dioden von Vishay

Perfekter Mix aus Energieeffizienz und Robustheit

Die Leistungselektronik ist entscheidend für die Effizienz von Elektrofahrzeugen.

IGBT-Halbbrücken-Design

Die Leistungselektronik für E-Fahrzeuge…

Yole Développement, Gallium Nitride

Analyse von Yole Développement

2026 knackt GaN die 1-Milliarde-Dollar-Marke

Brückenlose Totem-Pole-PFE für Anwendungen verschiedener Wide-Bandgap-Leistungsschalter im Test

Brückenlose Totem-Pole-PFC

SiC und GaN im direkten Vergleich

Rohm Semiconductor

Rohm Semiconductor

Netzteile mit 1700-V-SiC-MOSFETs plus Regler…

Cree, STMicroelectronics, SiliconCarbide, Silicon Carbide

Siliziumkarbid-Wafer

Cree und STMicroelectronics erweitern…

Infineon Siliziumkarbid SiC

Erweiterte Siliziumkarbid-Kapazitäten

onsemi übernimmt GTAT für 415 Mio. US-Dollar

Fraunhofer IMWS Leistungselektronik

Leistungselektronik in Windkraftanlagen

Komponenten offshore-tauglich machen

Infineon, Panasonic, Gallium Nitride, GaN

Infineon und Panasonic

Zweite GaN-Generation kommt 2023

Geely, Rohm, SiC, SiliconCarbide, Silicon Carbide

Fokus auf SiC-Leistungshalbleiter

Rohm und Geely erweitern strategische…

Sved Oliver/stock.adobe.com

Leistungshalbleiter + Stromversorgungen

Keine Chance den Fake-Produkten!

GaN Systems

Galliumnitrid / Elektromobilität

BMW sichert sich Fertigungskapazitäten bei GaN…

Fertigungsdienstleistungen für SiC-Halbleiter auf 6-Zoll-Wafern an

Applied Materials / Siliziumkarbid

Umstieg auf 200-mm-SiC-Wafer beschleunigen

Infineon, Villach, Sabine Herlitschka, Reinhard Ploss, Jochen Hanebeck

Massive Kapazitätserweiterung

Infineon eröffnet 300-mm-Fab in Villach

china 8,5

Neuer Fünfjahresplan

China fördert lokale Wertschöpfungskette bei…

Rohm, SiC, SiliconCarbide, Silicon Carbide

Siliziumkarbid-MOSFETs

Die neue Generation kann mehr

Wolfgang Weber, ZVEI

ZVEI fordert sechs neue Halbleiter-Fabs

Markt für Leistungshalbleiter verdreifacht sich…

Pixabay

Marktanalyse von TrendForce

Navitas stößt Power Integrations vom GaN-Thron

Infineon Technologies

Interview mit Dr. Peter Friedrichs

Infineon will Siliziumkarbid-MOSFETs raus aus der…

Infineon Technologies

Schnelles Tanken an der Stromtankstelle

Schnelles Laden von Elektrofahrzeugen durch…

Infineon Technologies

Wide Bandgap für die 5G-Infrastruktur

650-V-CoolSiC in modernen Telekommunikations-SMPS

Rohm Semiconductor

Rohm plant hohe Investitionen

Umweltschonende Power-Komponenten im Fokus

STMicroelectronics

Platzbedarf und Verluste reduzieren

Ehrgeizige Pläne für die GaN-Produktfamilie

Littelfuse

Die Applikation steht im Fokus!

SiC oder nicht SiC – das ist hier die Frage!

Bilder: Mitsubishi Electric

Energieeinsparung im Schienenverkehr

SiC-Halbleitermodule für Bahnanwendungen

Power Integrations

GaN-Chipsatz

Kompakte Sperrwandler mit hohem Wirkungsgrad

UnitedSiC, Qorvo, Acquisition

Übernahme im Bereich Siliziumkarbid

Qorvo übernimmt UnitedSiC

EDOYO/stock.adobe.com

Leistungshalbleiter

SiC-Bedarf explodiert

Navitas Semiconductor, GaNFast, GaNSense, Gallium Nitride, GalliumNitride

Navitas Semiconductor

Neue Generation von GaN-Power-ICs mit…

Nexperia, Silicon Carbide, SiC, SiliconCarbide, Diode

Siliziumkarbid-Dioden

Nexperia startet ins SiC-Zeitalter

Engelbert Hopf.jpg

Kommentar

Mit Esprit und Neugier zur Weltklimaneutralität

Verwandte Artikel

STMicroelectronics GmbH