1. Wann und wie sollten SiC-Leistungshalbleiter verwendet werden?
Siliziumcarbid ist ein idealer Werkstoff zur Herstellung von Leistungshalbleitern. Charakteristisch für SiC sind die große Bandlücke sowie die hohe kritische Feldstärke und Wärmeleitfähigkeit infolge der Kristallstruktur dieses Materials. Gegenüber Silizium ermöglicht dies eine Steigerung der Leistungsdichte sowie eine größere Materialstabilität, was höhere Betriebstemperaturen, eine verbesserte Robustheit und eine geringere Erwärmung bewirkt. Dadurch kann die Kühlung eines Systems einfacher und kostengünstiger realisiert werden. SiC-Materialien erlauben die Implementierung schneller unipolarer Leistungsbausteine mit geringen Schaltverlusten sowie Sperrspannungen und Stromtragfähigkeiten, die sich mit Silizium nicht mehr praxisgerecht umsetzen lassen. Mit SiC lassen sich beispielsweise MOSFET-Schalter und Schottkydioden für Sperrspannungen von 600 V und mehr herstellen, für die man bei Verwendung von Silizium auf bipolare IGBTs und PiN-Dioden ausweichen müsste. Zusätzlich kommt es bei SiC-MOSFETs weder zu dem von schaltenden IGBTs bekannten Stromschweif noch zu den Sperrverzögerungsströmen schaltender PiN-Dioden. Dementsprechend verringern sich die Schaltverluste von Leistungs-Wandlern und Wechselrichtern um den Faktor 10, wenn man Silizium-Bauelemente durch solche auf SiC-Basis ersetzt.
2. Verluste um mehr als 50 Prozent verringern
Da die Schaltverluste von SiC-Schottkydioden geringer sind, lassen sich Silizium-PiN-Dioden durch erheblich kleinere und preisgünstigere SiC-Bauelemente ersetzen. Zu den Schaltungen, die von den SiC-typischen niedrigen Schaltverlusten profitieren können, gehören beispielsweise Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen (PFC) oder ähnlich konzipierte Aufwärtswandler-Schaltungen. Mit dem Ersatz einer PiN-Diode durch eine SiC-Schottkydiode kann die Verluste um nicht weniger als 50 % verringert werden. Die verlustsenkende Wirkung der SiC-Bauelemente nimmt darüber hinaus mit steigender Systemfrequenz zu. Generell benötigen SiC-Bauelemente nur etwa 1 A Nennstrom für 150 bis 200 Watt Eingangsleistung. Selbst bei den Silizium-Bauelementen mit den kürzesten Sperrverzögerungszeiten ist dagegen der vierfache Wert erforderlich.
3. Ausreichende Stoßstromfestigkeit
SiC-Bauelemente kommen mit kleineren Chip-Flächen aus als vergleichbare Bausteine aus Silizium. Beim Ersatz von Silizium-Bauelementen durch solche auf SiC-Basis muss sichergestellt sein, dass die Stoßstromfestigkeit der SiC-Halbleiter für die Spitzenströme ausreicht, die einmalig beim Einschalten des Systems oder wiederholt bei Stromausfällen auftreten können. Diese von der Norm abweichenden Einsatzbedingungen können die Leistungshalbleiter über ihre zulässigen Grenzwerte hinaus belasten. Gelegentlich müssen SiC-Bauelemente für extreme Überstromsituationen dimensioniert werden, und häufig sind Stoßströme für Systeme geringer Leistung ein wichtigeres Kriterium als für Systeme mit höherer Leistung.
4. IGBTs durch SiC-MOSFETs ersetzen
�?hnlich wie SiC-Schottkydioden bieten SiC-MOSFETs in geschalteten Leistungs-Applikationen Vorteile hinsichtlich der Schaltverluste. Es ist bekannt, dass Silizium-MOSFETs höhere Schaltgeschwindigkeiten und niedrigere Schaltverluste erzielen als bipolare Schalter wie etwa bipolare Sperrschichttransistoren (BJTs) oder IGBTs. Werkstoffbedingte Einschränkungen bringen es jedoch mit sich, dass Silizium-MOSFETs sehr groß und teuer werden, sobald Sperrspannungen von mehr als 600 V benötigt werden. Systemdesigner müssen hier die hohe Schaltgeschwindigkeit gegen die niedrigen Durchlassverluste und günstigen Preise der IGBTs abwägen. Die erschwinglicheren IGBTs werden häufig für geschaltete Leistungs-Anwendungen genutzt, die Sperrspannungen über 900 V benötigen. SiC-Materialien und konstruktive Innovationen ermöglichen jedoch auch den Einsatz von SiC-MOSFETs in diesem Spannungsbereich, so dass Systemdesigner die MOSFET-typischen Vorteile nun auch in Hochspannungs-Applikationen nutzen können.
5. SiC-MOSFETs richtig dimensionieren
Die technischen Daten werden entsprechend der Leistung des Systems gewählt. Gleichzeitig soll die Energieeffizienz maximiert werden, und auch die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Systems ist sicherzustellen. Jeder Baustein wird hierzu so dimensioniert, dass er die maximalen Lastströme verkraftet. Die Durchlass und Schaltverluste müssen außerdem so gering sein, dass das Bauelement unterhalb seiner maximal zulässigen Sperrschichttemperatur bleibt und ein angemessener System-Wirkungsgrad erzielt wird. Da die Schaltverluste von SiC-MOSFETs deutlich geringer sind als die von IGBTs, kann die Nennleistung bei ersteren deutlich niedriger gewählt werden. IGBTs werden parallelgeschaltet oder überdimensioniert, um die Durchlass und Schaltverluste zu senken und den angestrebten System-Wirkungsgrad zu erreichen. Bei SiC-Bauelementen kann eine gleichwertige Effizienz dagegen mit deutlich weniger Überdimensionierung erreicht werden. Schließlich weisen IGBTs nur eine minimale Avalanche-Festigkeit auf und können bei Überlastung thermisch durchgehen. SiC-MOSFETs sind stattdessen überaus robust und erreichen eine bei Silizium-Bauelementen nie gekannte Avalanche-Festigkeit. Dank des niedrigen Wärmewiderstands werden auch wiederholte Avalanche-Phänomene verkraftet, und die positiven Temperaturkoeffizienten verhindern ein thermisches Durchgehen.
6. Vorteil höherer Schaltfrequenz nutzen
Viele Leistungs-Systeme sind für den Anschluss an das öffentliche Stromnetz vorgesehen oder sollen empfindliche Elektronik ansteuern. In diesen Fällen erfordern elektrische Störungen und Rippel-Ströme, die von geschalteter Elektronik hervorgerufen werden, die Verwendung von Filterelementen. Diese bestehen aus sperrigen und schweren Drosseln, Übertragern sowie teuren und unzuverlässigen Kondensatoren. Die Induktivitätswerte der Drosseln und die Kapazitäten der benötigten Kondensatoren sind allerdings umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz. Erhöht man die Frequenz, können somit kleinere, leichtere und preisgünstigere passive Bauelemente eingesetzt werden. Drosseln und Übertrager mit teurem Kupferdraht auf sehr schweren Ferritkernen haben erheblichen Anteil am Gewicht und den Kosten eines Systems, zumal die Preise für Kupfer und exotische Kernwerkstoffe weiter steigen werden. Elektrolyt-Kondensatoren sind teuer und unzuverlässig und bieten kaum Perspektiven für Kostensenkungen. Die mit SiC-Bauelementen erzielbaren höheren Schaltfrequenzen ermöglichen es, Größe und Kosten der passiven Komponenten zu senken.
7. Einfacheres und kostengünstigeres thermisches Design
Die geringere Erwärmung infolge der reduzierten Verluste in den Halbleiterbauelementen ist ein positiver Nebeneffekt des höheren System-Wirkungsgrads. Die mit SiC erzielte Senkung der Verluste kann genutzt werden, das Temperaturniveau des Systems im Betrieb zu verringern, was wiederum die System-Zuverlässigkeit insgesamt verbessert. Eine Kostensenkung kann zusätzlich aus einem einfacheren thermischen Design resultieren, das beispielsweise kleinere Kühlkörper zulässt. In extremen Fällen kann ein SiC-bestücktes System mit Konvektionskühlung auskommen, während mit Silizium-Bauelementen eine exotischere und teurere Flüssigkeitskühlung erforderlich gewesen wäre. Ein weniger komplexes, kompakteres und leichteres System wiederum führt zu niedrigeren Material, Versand und Instandhaltungskosten.
8. SiC-Designs in Power-Modulen
In den meisten Leistungs-Designs mit Leistungen von mehr als ein paar Kilowatt werden die zum Schalten dienenden Leistungshalbleiter in integrierten Power-Modulen untergebracht. SiC-Bauelemente sind hierfür aus mehreren Gründen ideal geeignet. Da sie bedeutend kleiner sind als entsprechende Bausteine auf Siliziumbasis, ermöglichen sie die Herstellung von Modulen mit höherer Leistungsdichte oder die Verwendung kleinerer und damit kostengünstigerer Modulgehäuse. Ihr höherer Wirkungsgrad kommt ferner den thermischen Eigenschaften zugute und senkt die Kosten. Eine höhere Leistungsdichte oder kleinere Modulgehäuse erhöhen allerdings die Anforderungen an das thermische Design. In einigen Fällen können exotischere Baseplate und Isolationsmaterialien verwendet werden, deren Mehrkosten durch die kleineren Abmessungen kompensiert werden. Verbesserte Die-Attach-Methoden sowie Flachkabel und Sammelschienen ergeben außerdem zusätzliche Wärmeableitwege. Um die Eignung von SiC-Bauelementen für hohe Schaltfrequenzen ausschöpfen zu können, muss beim Layout und beim Treiberdesign darauf geachtet werden, Streuinduktivitäten und kapazitäten zu minimieren.
