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Interview mit Prof. Leo Lorenz

Bei der PCIM rücken Batterien in den Fokus

3. Juli 2020, 10:00 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ab wann rechnet sich Siliziumkarbid?

D&E: Apropos Wide-Bandgap: Im Rahmen der PCIM diskutieren wir ja meist über die technischen Herausforderungen beim Einsatz von Siliziumkarbid. Wie sieht denn die wirtschaftliche Seite aus?

Lorenz: Das ist tatsächlich auch ein wichtiges Thema. Ab wann rechnet sich der Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleitern? Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung am Beispiel eines Windkraftumrichters wird Professor Eckel von der Universität Rostock präsentieren. Er hat die Modulkosten bei verschiedenen Anteilen von SiC-MOSFETs und Silizium-IGBTs mit der Einspeisevergütung und den Verlusten bei der Wandlung ins Verhältnis gesetzt. Man muss in derartigen Anlagen verstehen, dass es ein enormer Wettbewerbsvorteil ist, wenn man die Verlustleistung reduzieren kann. In der Voll-SiC-Konfiguration ist die Zone, in der ein Betreiber Verluste schreibt, relativ groß, bei nur einem Drittel SiC ist er fast durchgängig in der Gewinnzone (siehe Bild 2, Anm. d. Red.).

Nicht vergessen darf man, dass durch die höhere Schaltfrequenz bei Siliziumkarbid das EMV-Filter einfacher und kleiner ausfällt und damit kostengünstiger. Aber in dieser Studie wurde dieser Aspekt nicht berücksichtigt, sondern nur die Verluste.

D&E: Ein Thema, das immer wieder diskutiert wird, ist die Frage: Wird sich bei Siliziumkarbid-MOSFETs die Planar- oder die Trench-Struktur durchsetzen? Wie sehen Sie das?

Lorenz: Ich denke, Trench wird sich durchsetzen. Wie viel besser diese Struktur gegenüber Planar ist, zeigt auf der Konferenz Fuji Electric, wo man ein 3,3-kV-Modul mit verschiedenen Halbleitern und Konfigurationen simulierte, aber auch experimentell durch realisierte Bauelemente messtechnisch nachgewiesen hat. Ein Modul mit Trench-MOSFETs hat etwa 23 Prozent weniger Verluste als eines mit planaren SiC-MOSFETs (siehe Bild 3; Anm. d. Red.). Fuji Electric deckt mit seinen neuen SiC-Trench-MOSFETs den gesamten Spannungsbereich von 1200 V bis 3,3 kV ab, und in der Forschung laufen erste Versuche im Spannungsbereich über 6,5 kV. Durch ein spezielles Moduldesign konnte man die Streuinduktivitäten unter 5 nH drücken und durch integrierte Kühlung, Dünnschleifen der Chips und neue Chipverbindungstechnologien den thermischen Widerstand um 40 Prozent reduzieren. Gleichzeitiger stieg die Produktlebensdauer.

Bezüglich der Verluste im Bauelement streiten sich noch die Experten. Wolfspeed beziehungsweise Cree wird dem sicherlich widersprechen und es anders darstellen. Sie behaupten, sie hätten ein besonderes Design, das die Nachteile der planaren Struktur ausgleiche, sodass ihre Schalter mit den Trench-MOSFETs mindestens mithalten beziehungsweise sogar besser seien.