Leistungshalbleiter-Bauelemente-Trends
Technologien richtig einsetzen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Auf die Leistungsdichte kommt es an
Obwohl der Wirkungsgrad eindeutig wichtig ist, ist eine hohe Leistungsdichte manchmal das eigentliche Entwicklungsziel. Ein hoher Wirkungsgrad kann durch Überdimensionierung der Bauteile erreicht werden. Niederohmige Halbleiterbausteine sorgen für geringere Durchlassverluste, große Kühlkörper für niedrige Temperaturen und entsprechend überdimensionierte Magnete und Kondensatoren für geringe Wicklungs- und ESR-Verluste (äquivalenter Serienwiderstand). Um jedoch die Leistungsdichte zu erhöhen, muss zum Beispiel der Einsatz von GaN mit hohen Taktfrequenzen und entsprechend kleineren passiven Bauelemente gegenüber einer alternativen Lösung mit Si- oder SiC-MOSFETs bei niedrigeren Frequenzen, jedoch entsprechend größeren passiven Bauelementen abgewogen werden. SiC- und GaN-Lösungen mit ihrer höheren Schaltgeschwindigkeit und ihrem Potenzial zu verbessertem Wirkungsgrad ermöglichen einen Betrieb mit kleineren Kühlkörpern und ebnen damit den Weg zu einer höheren Leistungsdichte, sofern das Gesamtsystem bezüglich der Auswahl der Topologie und des Steuerungsverfahrens auf die neuen Leistungshalbleiterbauelemente hin ausgerichtet wurde.
Gesamtbetriebskosten und Umweltschutz
Die Gesamtbetriebskosten eines Leistungswandlers umfassen nicht nur die Anschaffungs- und die Energiekosten, sondern auch die Kosten für Entwicklung und Qualifizierung. Effizientere Leistungswandler erreichen insbesondere bei energieintensiven Anwendungen wie unterbrechungsfreien Stromversorgungen oder Hochleistungsrechenzentren im Vergleich zur Gesamteinsatzdauer attraktive Amortisationszeiten. So wird in modernen Datencentern nach dem Open-Compute-Standard die Stromversorgung ins Rack integriert und ist nicht mehr Teil des Motherboards. Damit verlängert sich die Nutzungsdauer von 2–3 Jahren auf 6–8 Jahre bei gleichzeitig besserer Ausnutzung der Leistung des Schaltnetzteils durch geringere Redundanz. Mit GaN-Leistungshalbleiterbauelementen lässt sich ein Schaltnetzteilwirkungsgrad von bis etwa 98 % erreichen, wobei sich die Mehranschaffungskosten des Schaltnetzteils durch entsprechende Einsparungen an Energie bei mittleren Stromkosten bereits in weniger als der halben Nutzungsdauer amortisieren. Durch kleinere effizientere Wandler lassen sich mehr Server pro Rack unterbringen, was sich entsprechend positiv auf die Rechenleistung auswirkt. Im Beispiel des Motorantriebs ist der Leistungswandler zwar weit von der Last entfernt, es ergeben sich jedoch auch hier Vorteile. Ein höherer Wirkungsgrad durch GaN verringert den Temperaturanstieg und/oder die Größe des Leistungswandlers, womit sich die Anzahl der Antriebe pro Schrank leicht verdoppeln lässt, was einen enormen Vorteil darstellt, wenn die Produktionsfläche begrenzt ist. Im Falle einer USV konnte gezeigt werden, dass der Wechsel von IGBT-basierten Multi-Level-Topologien zu einer SiC-basierten Zwei-Level-Schaltung die Stromrechnung des Betreibers halbierte.
Leistungskennzahlen
Das Produkt aus Durchlasswiderstand und Chipfläche (RDS(ON) ∙ A) ist ein guter Indikator für den spezifischen Widerstand des Bausteins bei gegebener Nennspannung. Ein niedriger Wert ermöglicht den Entwurf eines kleineren Chips für eine bestimmte Anwendung mit en
sprechend geringeren Bauteilkapazitäten und höherer Schaltgeschwindigkeit. Ein günstiger Wert für den flächenspezischen Widerstand erlaubt nicht zuletzt die Produktion von mehr Bauelementen pro Wafer und damit eine günstigere Kostenposition.
Die durch RDS(ON) ∙ EOSS angegebene Kennzahl kombiniert Leitendverluste mit Schaltverlusten, die durch die in der Ausgangskapazität des Bauteils gespeicherte Energie EOSS bei jedem harten Schalten erzeugt werden. Je kleiner dieser Wert bei gegebener Sperrspannung ist, desto besser eignet sich das Bauelement für den Betrieb bei hartem Schalten.
Die Gate-Ladung QG(TOT) beeinflusst die zur Gate-Ansteuerung erforderliche Leistung PG gemäß PG = QG(TOT) × Frequenz × Gate-Spannungshub
Dies ist insbesondere bei hohen Taktfrequenzen wichtig, da die Leistung für die Gate-Ansteuerung hier einen merklichen Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. GaN hat eine niedrige Gate-Schwellenspannung von ungefähr 1,5 V und eine extrem niedrige Gate-Ladung QG(TOT), sodass selbst bei hohen Frequenzen nur wenige Milliwatt erforderlich sind. IGBTs hingegen – mit Gate-Spannungsschwankungen von +16/–9 V und Gate-Ladungen im μC-Bereich – können selbst bei relativ niedrigen Frequenzen mehrere Watt benötigen. SiC liegt im Leistungsbedarf dazwischen. Da bei jedem Schaltzyklus die QG(TOT)-verbundenen Kapazitäten im Baustein über den externen Gate-Widerstand geladen und entladen werden müssen, ist die Gate-Ladung QG(TOT) indirekt auch ein Maß für die erzielbare Schaltgeschwindigkeit. Bild 3 zeigt die Gate-Ansteuerladung und -leistung von IGBTs, Si-Superjunction-MOSFETs, SiC-MOSFETs und GaN-Bauelementen von Infineon.
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Alle Technologien entwickeln sich weiter
Wir gehen von einer Koexistenz und wachsenden Marktsegmenten aller Leistungshalbleiterkonzepte für einen Zeitraum von mindestens zehn Jahren aus. So soll der Markt für IGBTs laut „Research and Markets“ mehr als 8 % wachsen und bis 2023 einen Wert von fast 10 Mrd. US-$ [2] erreichen. Auch Si-MOSFETs sind noch nicht am Ende ihrer Entwicklung angelangt und verbessern sich kontinuierlich in Schlüsselparamatern wie Einschaltwiderstand, Kapazitäten und Kosten. Infineon war Pionier der Si-Superjunction-Technologie und treibt das Konzept mit dem Ziel einer weiteren Halbierung des RDS(ON)∙A-Werts in Zukunft weiter voran (Bild 4). Neue Trechstop-basierte IGBT-Topologien bieten kontinuierlich einen verbesserten Kompromiss zwischen UCE_SAT und QTOT.
Infineon investiert selbstverständlich auch in WBG-Halbleiterbausteine, wobei die erste Generation von GaN und SiC immer noch deutlich von den theoretischen Leistungsgrenzen für RDS(ON) ∙ A entfernt sind und noch deutliches Verbesserungspotenzial für zukünftige Generationen aufweisen.
Infineons Strategie
Infineon ist seit Jahrzehnten führend in der Entwicklung von Leistungshalbleiterbauelementen [3] und hat eine breite Palette innovativer Produkte auf den Markt gebracht, die jeweils Technologiegeschichte geschrieben haben. Das Unternehmen investiert stark in alle hier beschriebenen Technologien und bietet unvoreingenommen Beratung über den optimalen Leistungsschalter für jede Anwendung, einschließlich intelligenter Kombinationen verschiedener Technologien, um das beste Preis-Leistungs-Verhältnis zu erzielen. SiC- und GaN-Schalter sowie spezielle Treiber ergänzen das IGBT- und Si-MOSFET-Angebot, um für sich rasch ändernde Anwendungsanforderungen mit der jeweils am besten passenden Technologie gewappnet zu sein.
Fazit
Bei der Auswahl eines Leistungsschalters gibt es viele Möglichkeiten. Die in diesem Artikel beschriebenen Technologien umfassen IGBTs, Si-MOSFETs, SiC-MOSFETs und GaN-HEMTs. Bei der Auswahl müssen neben den Gesamtbetriebskosten die Auswirkungen auf das System und die realistischen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit berücksichtigt werden. In allen Fällen wird höchste elektrische Leistungsfähigkeit mit grundlegend neuen Designs mit WBG-Halbleitern erzielt. Infineon bietet Design-Support und branchenführende Leistungselektronikbauteile in allen Technologien, um alle Anwendungen und Kundenanforderungen zu erfüllen.
Referenzen
[1] www.opencompute.org
[2] www.researchandmarkets.com/reports/4718358/global-igbt-market-forecasts-from-2018-to-2023
[3] www.infineon.com/power
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