Suchen

GaN- und SiC-Halbleiter Fortschritte in GaN und SiC für mehr Wirkungsgrad

| Redakteur: Gerd Kucera

Weil die Hälfte der erzeugten elektrischen Energie durch elektrische Antriebe wieder in mechanische Energie rückgewandelt wird, hat neue Leistungselektronik, etwa in GaN oder SiC, eine enorme Bedeutung.

Firmen zum Thema

Toshiba: Die vierte Generation der DTMOS-IV-Bausteine bietet eine wesentlich höhere Energieeffizienz, indem sie beste RDS(ON)*A-Werte und Reverse-Recovery-Zeiten kombinieren
Toshiba: Die vierte Generation der DTMOS-IV-Bausteine bietet eine wesentlich höhere Energieeffizienz, indem sie beste RDS(ON)*A-Werte und Reverse-Recovery-Zeiten kombinieren
(Bild: Toshiba)

In Industrieländern wie Deutschland wird gut die Hälfte der erzeugten elektrischen Energie durch elektrische Antriebe wieder in kinetische Energie umgewandelt. Damit hat die verlustarme Leistungselektronik eine besondere Bedeutung. Auch bei Stromversorgungen, PV-Systemen, Windkraftanlagen und nicht zuletzt bei der zukünftigen Nutzung von Brennstoffzellen ist Leistungselektronik eine wichtige Voraussetzung für innovative Lösungen. Der bestmögliche Wirkungsgrad ist in allen Anwendungen das gewünschte Ziel, das sich besonders mit neuen Materialien wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) erreichen lässt. Solche Halbleiterwerkstoffe erlauben die Implementierung schneller und verlustarmer Leistungsbausteine mit z.B. Sperrspannungen und Stromtragfähigkeiten, die in Siliziumtechnologie (Si) nicht möglich wären. Auffälliger Schwerpunkt der Fachmesse PCIM Europe 2013 im Mai war das Themengebiet Effizienzsteigerung durch SiC- und GaN-Halbleiter. Nachfolgend einige beispielhafte Entwicklungen, wie sie in Nürnberg vorgestellt wurden.

Transphorm: GaN-HEMTs für effiziente Leistungswandlung

Die Transphorm Inc zeigte den Prototypen eines leistungsfaktorkorrigierten Netzteils mit 97,5% Wirkungsgrad. Für diese 48-VDC-Stromversorgung mit 1 kW Leistung und einem Spitzenwirkungsgrad von 97,5% nutzte der kalifornische Hersteller seine 600-V-HEMTs (High Electron Mobility Transistor) in GaN-auf-Silizium-Technologie. Verwendet werden sie in der Gegentakt-Leistungsfaktorkorrekturstufe (Totem-Pole-Schaltung), die eine Effizienz von 99% erreicht. Die PFC ist mit einem LLC-DC/DC-Wandler kombiniert, dessen Wirkungsgrad 98,6% beträgt.

Bildergalerie

Der HEMT TPH3006PS basiert auf der patentierten EZ-GaN-Technologie von Transphorm. Aufgrund der reduzierten Schalt- und Leitungsverluste sinkt der Gesamtenergieverlust gegenüber herkömmlichen Umformern auf Siliziumbasis um 50%. Der GaN-Transistor im TO 220-Gehäuse kann hohe Betriebsfrequenzen schalten und besitzt einen geringen On-Widerstand von 150 mΩ und eine niedrige Speicherladung (Qrr) von 54 nC. Diese Eigenschaften verringern Verluste und ermöglichen kompaktere, preiswertere Systeme.

„Die auf GaN-Technologie basierende Stromversorgung von Transphorm übertrifft die höchsten bisher mit Silizium möglichen Wirkungsgrade um mindestens ein Prozent“, konstatiert Umesh Mishra, CEO von Transphorm, „und obwohl durch die jüngsten Fortschritte bei Silizium-Superjunction-Bausteinen sich die Ausgangskapazität um 20 Prozent und die Speicherladung der inneren Body-Diode um 25 Prozent reduzieren ließen, bleiben diese Verbesserungen immer noch weit hinter den neuen GaN-Transistoren zurück, die die Speicherladung um 95 Prozent senken.“

Neben den HEMT-Bausteinen fertigt Transphorm auch Dioden in GaN-Technologie; die Produkte sollen Entwurf und Herstellung von elektrischen Motorantrieben, Netzteilen und Wechselrichtern für Solarpaneele und Elektrofahrzeuge vereinfachen und dabei Energieverluste um über 50% reduzieren.

ROHM: die zweite Generation der SiC-MOSFETs

Die Serie SCT2xx ist die zweite Generation der SiC-MOSFETs, mit der ROHM Semiconductor das Angebot an hochspannungstauglichen N-Kanal-Power-MOSFETs auf SiC-Basis erweitert. Sie umfasst fünf Versionen mit unterschiedlichen On-Widerständen und Maximalströmen. Die Bausteine gibt es im TO247-Gehäuse und sind für eine maximale Sperrschichttemperatur von 175 °C ausgelegt. Bei allen Typen konnte die Verlustleistung deutlich reduziert werden.Der Hersteller garantiert ein einfaches Parallelschalten und Ansteuern der MOSFET SCT2080KEC, SCT2160KEC, SCT22280KEC, SCT2450KEC und SCH2080KEC. Bei der Variante SCH2080KEC ist eine SiC-Schottkydiode mit in das Gehäuse integriert. Als ideale Anwendungsplattform werden PV-Wechselrichter, Gleichspannungswandler, Schaltnetzteile, Induktionswärmesysteme und Motortreiber genannt.

(ID:40021090)