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Interview mit Dr. Peter Friedrichs

Infineon will Siliziumkarbid-MOSFETs raus aus der Nische bringen

28. Oktober 2021, 10:30 Uhr | Ralf Higgelke

Dr. Peter Friedrichs, Infineon Technologies: »Ein tiefes Verständnis der verschiedenen Applikationen ist entscheidend für die Akzeptanz unserer CoolSiC-MOSFETs in der Breite.«

Noch immer sind SiC-MOSFETs wesentlich teurer als ihre Pendants aus Silizium. Daher kommen sie bislang vor allem in Nischen zum Einsatz. Wie Infineon diese Bauteile auch für andere Anwendungen attraktiv machen will, fragten wir Dr. Peter Friedrichs, Vice President SiC bei Infineon.

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Markt&Technik: In einigen Applikationen ist Siliziumkarbid, kurz SiC, kaum noch wegzudenken, während es in anderen erst langsam Fuß fasst. Was sind die entscheidenden Features, die SiC-MOSFETs zu einem attraktiven Bauteil machen? Woraus ergeben sich die großen Vorteile gegenüber etablierten Designs mit MOSFETs oder IGBTs aus Silizium konkret?

Dr. Peter Friedrichs: Als Material für Leistungshalbleiter ist Siliziumkarbid dem bisher eingesetzten Silizium bei vielen Parametern überlegen. Der Weg, diese vorteilhaften Eigenschaften für den Anwender nutzbar zu machen, ist aber komplex und von Applikation zu Applikation verschieden.

Der Product-to-System-Ansatz, bei dem Infineon sich als Hersteller von Halbleitern vom Fokus auf das Produkt löst und uns stattdessen um ein tiefes Verständnis der verschiedenen Applikationen bemüht, ist daher entscheidend für die Akzeptanz unserer CoolSiC-MOSFETs – auch in der Breite. Auch der Zeitpunkt, ab dem der Einsatz für den Anwender wirklich attraktiv ist, ergibt sich aus den Randbedingungen der Applikation.

Der Erfolg von SiC-MOSFETs begann vor einigen Jahren im Bereich der Solar-Wechselrichter. Warum genau zu diesem Zeitpunkt und in dieser Applikation?

Im Bereich der großen PV-Kraftwerke konkurrierten schon länger Konzepte mit zentralen Wechselrichtern und Anlagen mit String-Wechselrichtern. Die Erhöhung der Systemspannung von 1000 auf 1500 V bringt in dieser Anwendung nennenswerte Einsparungen. Um dies zu realisieren, waren aber neue Lösungen erforderlich. Bei String-Wechselrichtern ließ sich mit Einführung der ANPC-Topologie (Active Neutral Point Clamped; Anm. d. Red.) einerseits die Systemspannung erhöhen und andererseits die Leistung pro Gerät bei unveränderter Bauform deutlich steigern. Möglich wurde dies dadurch, dass die Schaltfrequenz moderat stieg und gleichzeitig die Verluste durch den Einsatz unserer CoolSiC-MOSFETs drastisch sank.

Leistung ist das eine, Kosten das andere. Gerade der Markt für Wechselrichter ist ja durch Kostendruck geprägt. Wie ist es da möglich, mit einem deutlich teureren Bauelement zu erfolgreich sein?

Unter kommerziellen Gesichtspunkten war es hier sicherlich vorteilhaft, dass die höhere Spannung und die Leistungssteigerung mit einer ANPC-Topologie umgesetzt wurden. In unserer Lösung sind nur ein Drittel der Schalter SiC-Bauelemente. Dadurch war es möglich, die Balance zwischen höherem Halbleiteraufwand und Einsparungen im System früher zu erreichen. Siliziumkarbid führt außerdem zu Einsparungen beim Filter und beim Kühlsystem.

Nun gut, bei der Fotovoltaik gibt es recht spezielle Randbedingungen. Aber wie sollen SiC-MOSFETs jetzt in anderen Bereichen erfolgreich werden, etwa bei Schaltnetzteilen?

Hier gibt es im Wesentlichen zwei Aspekte. Einerseits ist es wegen der geringen Schaltverluste möglich, mit höheren Frequenzen zu takten und damit die induktiven Bauteile zu verkleinern. Das gilt für die Drossel in der PFC-Stufe genauso wie für den Übertrager. Andererseits kommt bei der PFC-Stufe noch hinzu, dass sich die Body-Diode der CoolSiC-MOSFETs im Gegensatz zu der entsprechender Siliziumschalter gut für hartes Schalten von induktiven Lasten eignet. Damit lassen sich PFC-Schaltungen in hocheffizienten Totem-Pole-Konfigurationen ausführen. Gegenüber der klassischen PFC-Topologie sinken damit die Verluste.

Prinzipiell sind Stromversorgungen ja skalierbar. Lässt sich also ein Schaltnetzteil mit Siliziumkarbid auch als DC Charger darstellen oder gibt es auch hier wieder spezielle Aspekte, die im Design zu berücksichtigen sind?

Hier gibt es tatsächlich noch ein paar andere Gesichtspunkte – sowohl in technischer als auch in kommerzieller Hinsicht. Technisch ist hier der Wirkungsgrad bei Teillast besonders wichtig, weil über weite Strecken mit kleiner Leistung geladen wird. Als Bauelement mit einer ohmschen Ausgangskennlinie ohne Schwellspannung und mit geringen Schaltverlusten können CoolSiC-MOSFETs ihre Stärke hier voll ausspielen.

Andererseits ist das ein recht neuer Markt mit vielen Wettbewerbern. Da ist es für unsere Kunden wichtig, differenzierende Features zu entwickeln, um am Markt erfolgreich zu sein. Dafür bieten wir mit einem innovativen, vielseitigen Bauelement und fundiertem technischen Support viele Möglichkeiten.