Power-Module Bis zu 85% weniger Verluste durch Siliziumkarbid (SiC)

Redakteur: Gerd Kucera

Leistungshalbleiter in Siliziumcarbid lassen sich gegenüber Silizium mit deutlich dünnerer Bausteinstruktur herstellen. Das führt zu einem um Größenordnungen geringeren On-Widerstand pro Flächeneinheit.

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Bild 1: Bei bis zu 85% weniger Schaltverlusten kann die Wasserkühlung durch ein Luftkühlungssystem ersetzt werden
Bild 1: Bei bis zu 85% weniger Schaltverlusten kann die Wasserkühlung durch ein Luftkühlungssystem ersetzt werden
(Archiv: Vogel Business Media)

Industrieweit gelang ROHM Semiconductor die erste Massenproduktion von SiC-Leistungsmodulen für 1200 V/100 A. Die vollständig in SiC hergestellten Leistungsbausteine eignen sich für den Betrieb mit Frequenzen jenseits von 100 kHz. Deutlich geringere Verlustleistung und hohe Spannungsfestigkeit sind charakteristische Merkmale solcher SiC-Bauelemente, die sich für ein breites Anwendungsspektrum wie Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen, Wandler und Wechselrichter eignen.

Die in kundenspezifischen Ausführungen gefertigten SiC-Power-Module für 1200 V mit 100 A bestehen ausschließlich aus SiC-Halbleiterkomponenten. Ihre Verwendung zur Leistungsumwandlung in industriellen Ausrüstungen bringt gegenüber dem Einsatz typischer siliziumbasierter IGBT-Module eine Reihe Vorteilen. Es werden beispielsweise nicht nur die Schaltverluste reduziert, sondern auch das Bauvolumen ist um rund 50% geringer als bei konventionellen Si-IGBT-Modulen der 400-A-Klasse.

Die geringere Verlustleistung senkt außerdem die Wärmeentwicklung, sodass kleinere und weniger komplexe Kühlvorrichtungen verwendet werden können. Diese und weitere Vorteile tragen schließlich zur neuerlichen Miniaturisierung der Endprodukte bei.

Das Problem der Unzuverlässigkeit gelöst

Man erwartet, dass die SiC-Technologie einen großen Einfluss auf die Leistungselektronik haben wird (etwa bei Industrie-Equipment, Photovoltaik, Elektroautos und Bahntechnik), weil Siliziumkarbid in seinen Materialeigenschaften (z.B. geringere Wandlungsverluste) dem Silizium überlegen ist. Bisher geht ein großer Teil der Energie auf dem Weg von der Erzeugung zum Verbraucher verloren, sei es bei der Wandlung oder bei der Verteilung an die einzelnen Anwendungen.

Aus diesem Grund arbeitete ROHM schon seit mehreren Jahren an der Entwicklung von SiC-Produkten. Nach eigenen Angaben konnte man bereits 2010 als weltweit erster Anbieter SiC-MOSFET erfolgreich in Massen produzieren. Bisher sei es unmöglich gewesen, trotz erheblicher Anstrengungen verschiedener Halbleiterhersteller, reine SiC-Module für die Starkstromtechnik herzustellen. Die Ursache lag, wie ROHM mitteilt, „in der fragwürdigen Zuverlässigkeit dieser Bauelemente bei hohen Temperaturen“.

ROHM konnte dieses Problem durch die Entwicklung spezieller Selektionsmethoden und Techniken zur Defektunterdrückung lösen, die ein hohes Zuverlässigkeitsniveau garantieren. Hinzu kam ein Kontrollsystem, das eine Verschlechterung der Eigenschaften bei hohen Temperaturen (bis zu 1700 °C) unterbindet. Die neuen Module enthalten eine nach aktuellen technischen Erkenntnissen optimierte Kombination aus SiC-Schottkydiode und SiC-MOSFET.

Dieses Duo reduziere die Verluste bei der Leistungsumwandlung gegenüber konventionellen IGBT-Modulen aus Silizium um bis zu 85%. Darüber hinaus ermöglichen die SiC-Bausteine den Betrieb mit Schaltfrequenzen von mindestens 100 kHz, also dem Zehnfachen von IGBT-Modulen.

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