Leistungshalbleiter - Wo geht die Reise hin?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
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ist Leader Power Semiconductor Development Consumer and Industrial Drives
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Was man wissen muss
Heutzutage ist der kritischste Parameter für die Verwendung von SiC-Dioden in PFC-Eingangsstufen meist deren niedrige Überstromfähigkeit. Sehr offensichtlich wird das, vergleicht man die I2t-Werte von SiC- und Standarddioden; bei einer 6-ASiC- Diode liegt dieser Wert bei 2,3 A2s, bei einer äquivalenten Si-pn-Diode stehen jedoch 4,3 A2s zu Buche. Diese Schwäche liegt im positiven Temperaturkoeffizienten des Einschaltwiderstandes der SiC-Diode begründet.
Durch diese positive Rückkopplung steigt die Verlustleistung an und zerstört das Bauelement schnell, wenn eine kritische Überstromgrenze überschritten wird. Hierfür hat man allerdings eine Lösung gefunden, und zwar mittels des Konzeptes der »Merged pn-Schottky Junction« (Bild 5). Bei normalem Strom ist nur der SchottkyÜbergang der Diode aktiv. Bei fünf bis sechs Mal höherem Strom als dem Nennstrom beginnt aber auch der pn-Teil der Diode Ladungsträger zu injizieren, was den Widerstand des Bauelements erheblich reduziert und somit den Selbstheizungs- und Zerstörungsmechanismus beseitigt. Tatsächlich lässt sich mit diesem neuen Konzept der zulässige Überstrom um den Faktor zwei anheben. Diese Technologie soll in Kürze auch für 1200-V- und 1700- V-Dioden verfügbar sein.
Neben diesen wesentlichen Leistungsverbesserungen bei den SiC-Dioden könnte bald auch ein aktives Bauelement in Form eines unipolaren JFETs aus Siliziumkarbid kommerziell verfügbar werden. Ein solcher Baustein kann mit zehnfach niedrigerem spezifischem Einschaltwiderstand und zehnfach niedrigerer parasitärer Kapazität als ein vergleichbarer 800-V-CoolMOS glänzen. Gleichzeitig mit einem Sperrvermögen von 1700 V bietet ein solcher JFET auch noch ähnlich gutes Diodenverhalten wie die »Merged pn-Schottky«-Diode im Überstrombereich. Allerdings müssen die Entwickler noch einige Schwierigkeiten überwinden. Zum einen sind die Produktionskosten etwa zweimal höher als für CoolMOS (normiert auf den Einschaltwiderstand bei +125 °C), zum anderen sind neue Ansteuerverfahren nötig, um dieses »Normally on«-Bauelement zu steuern.
Andererseits eröffnet sich hier aber nach Expertenmeinung ein riesiges Potenzial, um die RCD-Klemmkreise loszuwerden, die bisher den Wirkungsgrad von getakteten Stromversorgungen begrenzten. Auch ließen sich die bisher üblichen und schwer zu steuernden Halbund Vollbrückenkonzepte im Leistungsbereich unter 500 W ersetzen. Nicht nur, dass sich der Schaltkreis dadurch wesentlich vereinfacht, es lassen sich auch erhebliche Steigerungen in der Leistungsdichte in modernen Schaltnetzteilen und DC/DC-Wandlern in den neu aufkommenden elektrisch angetriebenen Hybridfahrzeugen erzielen. Es gibt heute bereits Musterbauelemente als diskretes Bauelement und in Kaskodenkombination mit einem 55-V-MOSFET, um die »Normally on«-Charakteristik zu umgehen.
