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SiC-MOSFETs, -JFETs, -BJTs und -Dioden bieten ein einzigartiges Eigenschaftenspektrum

Die Siliziumkarbid-Technologie erreicht ihren kritischen Reifegrad

4. Juli 2012, 17:57 Uhr | Engelbert Hopf

Paul Kierstead, Cree: »Als wir vor 15 Monaten die ersten SiC-MOSFETs vorstellten, kosteten sie einzeln bei Digi-Key 93 Dollar, inzwischen sind sie für weniger als 50 Dollar zu haben, und dieser Trend wird sich fortsetzen.«

Leistungshalbleiter-Lösungen auf SiC-Basis bestachen in der Vergangenheit zwar durch ihre Leistungsdichte und Effizienz, unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten war ihr Einsatz jedoch nur in wenigen Applikationen gerechtfertigt.

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Mit der steigenden Zahl der Anbieter ändert sich das nun. Zudem können die Entwickler unter immer mehr Schaltervarianten wählen.

Steigerung der Energieeffizienz, der Leistungsdichte und der Wirtschaftlichkeit sind zentrale Herausforderungen der Leistungselektronik. Siliziumkarbid bietet mit einem Bandabstand von 3,2 eV (Silizium: 1,12 eV) als Halbleitermaterial ein einzigartiges Eigenschaftsspektrum zur Lösung dieser Herausforderungen. So lassen sich mit SiC-Schaltern höhere Stromdichten, höhere Arbeitstemperaturen und höhere Durchbruchspannungen, aber auch kleinere Schalt- und Durchlassverluste realisieren.

Konkret führt der Einsatz von SiC-Schaltern im Antriebsbereich nicht nur zu höheren Systemeffizienzen, es werden auch höhere Schaltfrequenzen ermöglicht. Dies ermöglicht die erforderlichen passiven Komponenten eines Antriebssystems wie Drosseln und Filter im Volumen und in den Kosten deutlich zu reduzieren. Der Einsatz von SiC-Schaltern verringert zudem die Anforderungen an das Wärmemangement, gleichzeitig erhöht sich die Sicherheit gegen Lawinendurchbrüche (Avalanchefestigkeit) der Schaltung deutlich.

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In der Vergangenheit führte die Tatsache, dass die zur Verfügung stehenden SiC-Wafer im Schnitt 5 bis 10 Defekte pro Quadratzentimeter aufwiesen, dazu, dass akzeptable Ausbeuten nur für relativ kleine Chips wie etwa Dioden möglich waren. Inzwischen hat die SiC-Technologie aber offenbar einen kritischen Reifegrad erreicht, der sich vor allem an drei Faktoren ablesen lässt: Produktionsbereitschaft, Zuverlässigkeit und sinkende Preise.

So hat sich in den letzten Jahren nicht nur die Zahl der Hersteller von SiC-Wafern auf mehr als ein halbes Dutzend erhöht, sondern neben den SiC-Pionieren Cree und Infineon Technologies bietet inzwischen eine ganze Reihe von Unternehmen zumindest SiC-Dioden an. Eine kleine Gruppe offeriert zudem seit knapp einem Jahr auch größere SiC-Schalter in Form von SiC-MOSFETs und SiC-JFETs. Kostete ein SiC-MOSFET von Cree vor einem Jahr bei Digi-Key noch 93 Dollar, so sind die Leistungsschalter inzwischen schon für weniger als 50 Dollar zu haben.

Paul Kierstead, Director of Marketing für SiC Power Products bei Cree, versichert, »dass sich diese Entwicklung fortsetzen wird, je größer das Angebot und die Zahl der am Markt agierenden Hersteller wird.« Zur Erweiterung des Produktspektrums stellte Cree vor kurzem selbst die ersten 1700-V-SiC-MOSFETs mit 50 A Schaltstrom (40 mΩ) vor. Im Bereich der 1200-V-SiC-MOSFETs legte das Unternehmen eine Version mit 50 A / 25 mΩ nach.