Leistungsdichte und Effizienz verbessern
SiC-Halbleiterprodukte in der Anwendung
Welche Siliziumkarbid-Produkte gibt es derzeit am Markt und was muss bei der Auswahl des Package berücksichtigt werden? Im Fokus des dritten Teils unserer SiC-Serie steht das fertige Produkt und damit auch, in welchen Applikationen die Verwendung von SiC heute bereits sinnvoll ist.
| Elektronik-Serie |
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Dieser Artikel ist der dritte und letzte Teil der in der Elektronik erscheinenden Serie über Siliziumkarbid. Zum ersten Teil mit dem Titel "Halbleitermaterial der Zukunft: Der Entstehungsprozess von SiC" gelangen Sie hier. Der zweite Teil ist unter dem Titel "Für eine nachhaltige Leistungselektronik: SiC und die unterschiedlichen Zellstrukturen" erschienen.
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Prinzipiell ist es möglich, SiC-Dioden sowie SiC-MOSFETs in allen möglichen Standard-Packages zu verarbeiten. Dies gilt sowohl für diskrete Bauteile als auch für Module. Bei diskreten Bauteilen unterscheidet man zwischen bedrahteten Bauteilen (engl. Through Hole Technology, THT) und SMD-Bauteilen (engl. Surface-Mount Device).
Bei der Auslegung des Package ist es wichtig, die physikalischen Eigenschaften von SiC zu verstehen und zu berücksichtigen. Beispielsweise spielen die parasitären Induktivitäten innerhalb des Package beim SiC-Halbleiter eine wichtigere Rolle als beim Si-IGBT. Grund dafür ist, dass die Schaltgeschwindigkeiten von SiC- gegenüber Si-Halbleitern höher sind. Deshalb arbeitet Rohm intensiv daran, die parasitären Induktivitäten bei den diskreten Bauteilen sowie bei den Modulen zu verringern.
Rohm startete die Massenproduktion seiner ersten kommerziellen Siliziumkarbid-Produkte im Jahr 2010. Seitdem erweitert das Unternehmen seine Produktlinien in den verschiedenen Leistungsklassen ausgiebig, um die Anforderungen der industriellen sowie der Automotive-Anwendungen zu erfüllen. Das Produktangebot umfasst sowohl diskrete Bauteile (THT, SMD) als auch Module. Darüber hinaus bietet Rohm als Halbleiterhersteller seine Produkte auch als SiC-Wafer (Bare Dies) an und kooperiert mit namhaften Modulherstellern, um den weltweiten Markt von SiC zu erweitern.
Das Angebot von Rohm bei der zweiten Generation der SiC-SBDs (Schottky-Barrier-Dioden) umfasst derzeit Produkte für 650 V von 5 bis 100 A sowie für 1200 V und 1700 V mit Stromtragfähigkeiten bis 50 A. Bei Rohm läuft im Jahr 2016 die Massenproduktion der dritten Generation von SiC-SBDs für Spannungen von 650 V und Ströme bis 10 A an.
Bei SiC-MOSFETs ist das Produktangebot noch umfangreicher. Hier bietet der Hersteller zwei unterschiedliche Technologien an: die Planar-Technologie sowie die Double-Trench-Technologie. Die Planar-Technologie ist bereits in diskreten Bauteilen und Modulen in den Spannungsbereichen 650 V, 1200 V und 1700 V mit Stromtragfähigkeiten von bis zu 300 A verfügbar.
Rohm startet außerdem die Massenproduktion der dritten Generation seiner SiC-MOS sowohl bei diskreten Bauteilen als bei Voll-SiC-Modulen mit der selbst entwickelten Double-Trench-Technologie. Dadurch wird die bestehende MOSFET-Produktfamilie erweitert. Darüber hinaus stellt die dritte SiC-MOS-Generation eine Weiterentwicklung in der Leistungselektronik bezüglich Effizienz und Zuverlässigkeit dar.
1700-V-SiC-MOSFETs für Schaltnetzteile
Eines der wichtigsten Bestandteile eines jeden Leistungselektroniksystems ist die Baugruppe Schaltnetzteil. Denn ohne Schaltnetzteil ist es nicht möglich, die Funktionen des Hauptsystems zu realisieren. Dieses Subsystem Schaltnetzteil (engl. Power Supply Unit) ist die interne Spannungsversorgungeinheit für alle Elektronikbaugruppen in einem Leistungselektroniksystem. Damit können Mikrocontroller, Sensoren und die Treiberschaltung für die Hauptleistungshalbleiter mit den erforderlichen Spannungen versorgt werden. Die meistverbreitete Topologie für Schaltnetzteile in der Industrie ist der Sperrwandler (engl. Flyback Converter). Er dient zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsseite galvanisch getrennter Gleichspannungen und eignet sich für Leistungen von bis zu mehreren hundert Watt.
In der Praxis wird für den Hauptschalter bislang normalerweise ein Si-MOSFET eingesetzt. Die Schaltfrequenz liegt üblicherweise im Bereich von 16 kHz bis über 500 kHz. Durch die Verwendung höherer Schaltfrequenzen können die Spulen kleiner dimensioniert werden. Allerdings werden die Möglichkeiten wegen der hohen Verluste im Si-MOSFET und der Diode eingeschränkt. Der neue 1700-V-SiC-MOSFET von Rohm ist mit seinem effizienten Schaltverhalten für solche Sperrwandler-Anwendungen sehr gut geeignet. Dieser 1700-V-SiC-MOSFET ist in zwei unterschiedlichen Packages erhältlich, nämlich im TO-3PFM und im TO268-2L (Bild 1).
Wegen seiner hohen elektrischen Feldstärke hält der SiC-MOSFET den On-Widerstand bezogen auf die Chipfläche auch bei hoher Durchbruchspannung niedrig. Bild 2 vergleicht den On-Widerstand zwischen dem neu entwickelten 1700-V-SiC-MOSFET von Rohm und dem bestverfügbaren Si-MOSFET im Markt, der üblicherweise in Schaltnetzteilen verwendet wird. Der On-Widerstand RDSon des 1700-V-SiC-MOSFETs ist viel kleiner als der vom 1500-V-Si-MOSFET. Ein Wert von 0,75 Ω bzw. 1,15 Ω konnte für den SiC-MOSFET realisiert werden. Im Gegenzug beträgt der Wert 9 Ω beim Si-MOSFET, obwohl die Chipfläche vom SiC-MOSFET 17-mal kleiner ist als die des Si-MOSFET.
Die Verwendung des neuen 1700-V-SiC-MOS in einem TO268-2L-Package – erhältlich ist dieses Produkt unter der Bezeichnung SCT2H12NY – führt zu einem deutlich besseren RDSon sowie höherer Strombelastbarkeit im Vergleich zum Si-MOSFET, wenn dieselbe Package-Bauform genutzt wird. Wegen der sehr niedrigen parasitären Kapazitäten (Ciss und Coss) des SiC-MOSFET kann eine Schaltfrequenz von über 100 kHz ohne thermische Probleme verwendet werden. Diese führt wiederum zu einer Miniaturisierung der Wickelgüte sowie der Bauform der Leiterplatten. Durch den Einsatz eines TO268-2L-SMD-Package ist nun eine automatisierte Montage der Leiterplatte über eine SMD-Linie möglich. Dadurch kann eine signifikante Reduzierung der Produktionskosten und letztlich der Gesamtkosten erreicht werden. Um ein möglichst gutes Schaltverhalten des SiC-MOSFET in der Sperrwandler-Topologie zu erreichen, hat Rohm mit dem BD768xFJ-LB einen speziellen Treiber mit dediziertem Controller in einem SOP-J8S-Package entwickelt.
Bei einer Industrieanwendung mit einem dreiphasigen 400-V-Drehstromnetz werden in der Regel für den Hauptschalter zwei Si-MOSFETs eingesetzt. Diese werden in der Regel in Reihe geschaltet, um genug Spannungsreserven für den Hauptschalter im Sperrzustand zu gewährleisten. Mit dem soeben beschriebenen 1700-V-SiC-MOSFET lassen sich die zwei Si-MOSFETs durch nur einen einzelnen SiC-MOSFET ersetzen.
| Das Produktportfolio von Rohm |
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| Rohm Semiconductor ist ein Anbieter von Systemen, LSIs, diskreten Bauelementen und Modulen. Der Konzernumsatz betrug im Jahr 2015 3 Mrd. US-Dollar und wurde mit 20.843 Mitarbeitern erwirtschaftet. Zum Portfolio des Unternehmens gehören AEC-Q-zertifizierte Produkte für die Automobilindustrie, Standard-Produkte wie Transistoren, Dioden, EEPROMs, Operationsverstärker und LDOs sowie ASIC- und ASSP-Produkte inklusive LED-Treibern, Motor-Treibern und Gate-Treibern für En¬gine Control Units (ECUs). Darüber hinaus legt Rohm einen Schwerpunkt auf aktuelle Leistungshalbleiter-Technologien. Mit seiner neuesten Leistungshalbleiter-Generation will das Unternehmen durch Optimierungen bei Effizienz, Wärmeerzeugung und Kompaktheit überzeugen – natürlich auch bei SiC-MOSFETs und kompletten SiC-Modulen. |
- SiC-Halbleiterprodukte in der Anwendung
- Hohe Effizienz in der Antriebstechnik
- Die Rückwärtsleitung von SiC
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