Große Fortschritte bei Silizium- und Wide-Bandgap-Bauelementen

| Autor / Redakteur: Prof. Dr. Josef Lutz * / Gerd Kucera

Bild 1: Infineon stellt ein neues 550-A/3300-V-Halbbrückenmodul mit IGBT4- und .XT-Technology 
im XHP3-Gehäuse vor.
Bild 1: Infineon stellt ein neues 550-A/3300-V-Halbbrückenmodul mit IGBT4- und .XT-Technology 
im XHP3-Gehäuse vor. (Bild: Infineon)

Die Konferenz zur PCIM Europe (7.5.-9.5.2019 in Nürnberg) zeigt wieder wichtige Neuerungen bei den Power Devices. Einige besonders interessante Lösungen sind hier kurz zusammengefasst.

Wer denkt, bei Silizium Bauelementen gäbe es keine Fortschritte mehr, wird enttäuscht werden. Infineon stellt ein neues 550-A/3300-V-Halbbrückenmodul mit IGBT4- and .XT-Technologie im sogenannten XHP3-Gehäuse vor. Es erhöht die Leistungsdichte und die Lastwechsel-Lebensdauer für Hochleistungsumrichter. Die Stromtragfähigkeit des Moduls steigt bei gleicher Grundfläche von früher 450 A auf 550 A. Bezogen auf die Grundfläche sind das 7,86 A/cm2.

[Session 1] Vishal Jadhav et al: „Novel 550A_3300V Module with IGBT4 and .XT Technology in XHP3 Package to Enhance Power Density and Lifetime for Next Generation Power Converters“. Der Vortrag findet am Donnerstag, den 9. Mai 2019 im Raum Brüssel um 11:40 Uhr statt (Der Session-Titel: High Voltage IGBTs).

Bei der Spannungsklasse 3,3 kV resultiert eine Leistungsdichte von 25,94 kW/cm2. Da auch der Wärmwiderstand verbessert wurde, schätzt Infineon, dass der Ausgangsstrom im Motorantrieb bei Nutzung der neuen Technologie um 30% bis 40% erhöht werden kann. Dazu kommt bei diesem Gehäuse eine sehr hohe Zuverlässigkeit durch die .XT-Technologie mit gesinterten Chips; gegenüber dem Stand der Technik erhöht sich die Lastwechselfestigkeit um den Faktor 5.

Konkurrenz aus China: CRRC Times Electric Co., Ltd/China stellt zur PCIM Europe einen 1800-A/3300-V-E2-IGBT mit sogenanntem TMOS+IGBT vor. Es verwendet Trench-Technologie mit abgestimmten nicht kontaktierten Dummy-Trench-Strukturen, wie sie in Bild 2 dargestellt sind.

[Session 2] Xubin Ning et al: „High Power Density Oscillation Free 1800A/3300V E2 IGBT Module with TMOS+ IGBT and PIC FRD Technology“. Der Vortrag findet am Donnerstag, den 9. Mai 2019 im Raum Brüssel um 11:15 Uhr statt (Der Session-Titel: High Voltage IGBTs).

Diese Technologie ermöglicht, dass die Leit- und Schaltverluste deutlich gesenkt werden. Die Abschaltfähigkeit von 6,5-fachem Überstrom wird gezeigt; das ist rekordverdächtig. Bislang war die Abschaltfähigkeit von 3- bis 4-fachen Nennstrom gezeigt worden. Auch die Freilaufdiode ist optimiert, ihr Schaltverhalten ist ozillationsfrei auch bei kleinen Strömen und hoher Zwischenkreisspannung. CRRC setzt somit auf neue Ideen und wird zu einem neuen Mitspieler in der ersten Liga beim Fortschritt bei IGBTs.

Noch höhere Leistungsdichte mit Siliziumkarbid

Hitachi stellt ein 3,3-kV-1000-A-Hochleistungsmodul in Siliziumkarbid vor. Das Modul realisiert, wie in Bild 3 gezeigt, eine Vollbrücke; die Grundfläche mit 100 mm x 140 mm ist dieselbe, nur die Anschlusskonfiguration ist verändert. Als Technologie für hohe Zuverlässigkeit wird Cu-Sintern verwendet.

[Session 3] Kan Yasui et al: „ A 3.3kV 1000A High Power Density SiC Power Module with Sintered Copper Die Attach Technology“.

Der Technologievortrag findet am Mittwoch, den 8. Mai 2019 im Raum München 1 um 10:50 Uhr statt (der Session-Titel lautes: High Voltage SiC).

Ein Modul mit derzeit der höchsten Leistungsdichte

Das Modul ist zu 2 x 1000 A spezifiziert, damit trägt es 14,28 A/cm2. Mit 3,3 kV folgt eine Leistungsdichte von Power density 47 kW/cm2. „Das ist ein Plus von 25 Prozent im Vergleich zum Stand der Technik und es ist, soweit bisher veröffentlicht, das Modul mit der höchsten Leistungsdichte der Welt“, schreiben die Autoren. Aufgrund gleicher Fläche können wir es mit dem Modul in Bild 1 vergleichen, damit wird ein Vergleich von Si-IGBT und SiC-MOSFET in Bezug auf die erzielbare Leistungsdichte möglich. Im SiC-Modul werden die inversen MOSFET-Dioden als Freilaufdioden genutzt, im Betreib der inversen Diode ist die Arbeit als Synchrongleichrichter mit positiver Spannung am Gate vorgesehen. Der Vergleich bezüglich Überlastfähigkeit und Robustheit wird nun hoch interessant.

Neue Entwicklungen bei Galliumnitrid-Devices

Interessante neue Fortschritte gibt es auch bezüglich der GaN-Leistungshalbleiter: Panasonic stellt einen einen GIT-Transistor vor, in üblicher lateraler Struktur, aber hergestellt auf einen GaN-Substrat anstelle von GaN-on-Si, was derzeit verwendet ist. Durch die nun entfallende Fehlanpassung zwischen GaN und Si werden die Bauelementeigenschaften verbessert: deutlich höhere Sperrfähigkeit, um 45% niedrigerer On-Widerstand, erklärbar durch die stark verringerte Dichte an Versetzungen.

[Session 4] Shinji Ujita et al: „Highly-Efficient MHz-class Operation of Boost DC-DC Converters by Using GaN Transistors on GaN with Reduced RonQoss“.

Der Vortrag findet am Mittwoch, den 8. Mai 2019 im Raum München 1 um 13:55 Uhr statt (Der Session-Titel: GaN System Integration).

Bild 4: Bidirektionaler Schalter von Panasonic in GaN-Technologie; die Struktur links und die 
Durchlasskennlinie im Vergleich zur derzeit üblichen IGBT-Freilaufdiode-Verschaltung rechts.
Bild 4: Bidirektionaler Schalter von Panasonic in GaN-Technologie; die Struktur links und die 
Durchlasskennlinie im Vergleich zur derzeit üblichen IGBT-Freilaufdiode-Verschaltung rechts. (Bild: Panasonic)

Ebenfalls von Panasonic kommt ein bidirektionaler Schalter aus GaN. Die vereinfachte Struktur zeigt Bild 4. Das Bauelement ist in beiden Richtungen sperr- und leitfähig, es besitzt zwei Gates.

[Session 5] Hiroaki Ueno et al: „A 3-Phase T-type 3-Level Inverter using GaN Bidirectional Switch with Very Low On-State Resistance“.

Der Vortrag findet am Mittwoch, den 8. Mai 2019 im Raum München 1 um 14:20 Uhr statt (Der Session-Titel: GaN System Integration).

Ein Rahmenprogramm rundet die Konferenz ab

Auf der PCIM Europe präsentieren vom 07.-09.05.2019 in Nürnberg sowohl bekannte Branchengrößen als auch kleinere, spezialisierte Unternehmen ihre Produkte und Komponenten auf der Ausstellungsfläche. Fachbesucher erwarten unter anderem Innovationen aus den Bereichen Leistungshalbleiter und Passive Bauelemente, die von 39% bzw. 38% der Aussteller angeboten werden, sowie zu den Themen Thermisches Management (25%) und Leistungselektronische Wandlersysteme (21%). Insgesamt werden mehr als 500 ausstellende Unternehmen ihr Leistungsspektum zeigen, davon mehr als die Hälfte aus dem Ausland.

Sowohl auf den drei Messeforen als auch im Rahmen der anwendungsorientierten Konferenz bietet die PCIM Europe ein hochkarätiges Vortragsprogramm mit Beiträgen u.a. zu den Themen „The Evolution of GaN“ (Power Systems Design), „EV/HEV Transformation of the Power Modules Industry“ (Yole Développement) und „Thermal Resistance of Interconnect Layers in Inverter Power Stack Assembly“ (Alpha Assembly Solutions). Unter dem Motto "Meet the Speaker" stehen auf dem Fach- sowie dem E-Mobility-Forum sämtliche Referenten im Anschluss an ihren Vortrag für Fragen zur Verfügung.

Zu E-Mobility finden erstmals Guided Tours zu den Ständen spezialisierter Aussteller statt, für die interessierte Fachbesucher sich bereits im Vorfeld der Veranstaltung anmelden können. Neben dem Wissens- und Erfahrungsaustausch bieten auf der PCIM Europe sieben anwenderorientierte Seminare und zehn Tutorials in exklusiven Gruppengrößen mit renommierten Experten Einblicke in künftige Technologien. Edward Shelton, University of Cambridge, referiert in einem Ganztagestutorial über „WBG Devices, Circuits and Measurement“.

* Prof. Dr. Josef Lutz doziert an der TU Chemnitz und ist beratendes Mitglied des Boards of Direktors der PCIM Europe.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45723268 / Leistungselektronik)