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Energiesparende MOSFETs und IGBTS

Moderne Technologien für effiziente Halbleiter

11. Dezember 2014, 10:32 Uhr | von Florian Freund und Philip Lolies

Wide-Bandgap-Techniken wie Silizium-Carbid sorgen ebenso wie wie moderne IGBTs in »Trench Gate Field Stop«-Technik für möglichst geringe Verlustenergie. Mit der Kombination von Ansteuerschaltung und Leistungsstufe in einem Gehäuse lassen sich die Verluste weiter minimieren.

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Dass Leistungshalbleiter einen wichtigen Beitrag zu mehr Energieeffizienz leisten können, liegt auf der Hand. Denn die Entwicklung neuer Technologien in diesem Bereich ist darauf ausgerichtet, effizienter mit Energie umzugehen, die Systeme kleiner bauen zu können und weniger Verluste zu generieren. Dabei sind die verschiedenen Bauteile nicht nur selbst effizienter, sondern sorgen auch für mehr Effizienz in der Gesamtschaltung, weil weniger Schaltverluste durch die Kupferleitungen, Induktivitäten und Motoren zu treiben sind.

In der Leistungselektronik ist die anfallende Verlustleistung ein begrenzender Faktor für die Miniaturisierung. Um die anfallende Verlustenergie ableiten zu können, ist einfach eine gewisse Fläche beziehungsweise ein gewisses Volumen nötig. Durch die Verringerung der Verlustenergie sowohl in der Elektronik als auch in der Peripherie ermöglicht die effizientere Technik also kleinere Anwendungen, was wieder Ressourcen spart, indem zum Beispiel die verwendeten Kühlkörper kleiner werden können oder weniger Kupfer in den Übertragern gebraucht wird. Der Effizienzgewinn liegt also nicht nur in der Elektronik allein, sondern mit dem Einsatz aktueller Leistungshalbleiter lässt sich Systemenergie sparen – und dieses Einsparpotenzial ist wesentlich größer als nur der geringere R_DS(on) multipliziert mit dem Quadrat des Stroms.

Im MOSFET-Bereich sind momentan Wide-Bandgap-Technologien wie zum Beispiel Siliziumkarbid (SiC) ein heißes Thema. Diese Technik verspricht niedrigere Durchlass- und höhere Sperrspannungen und ist dadurch prädestiniert, in Zukunft die Standard-Silizium-MOSFETs abzulösen. Laut Angaben von STMicroelectronics lassen sich mit der SiC-Technik mindestens 50% der Energie einsparen, die normalerweise beim Einsatz konventioneller Silizium-Leistungstransistoren verloren geht.

Bisher gab es für den breiten Erfolg der Wide-Bandgap-Technik allerdings zwei Hindernisse...