Wide-Bandgap-Halbleiter

SiC-Bauelemente in der elektrischen Antriebstechnik

| Autor / Redakteur: Steffen Möhrer * / Gerd Kucera

Bild 1: Die Eigenschaften von Silizumcarbid (SiC) im Vergleich zu Silizium (Si)
Bild 1: Die Eigenschaften von Silizumcarbid (SiC) im Vergleich zu Silizium (Si) (Bild: Fairchild)

Seit Jahren werden die Vorteile von Leistungshalbleitern in SiC und GaN beworben. Doch sind die Eigenschaften der „neuen“ Chips für alle Anwendungen der Antriebstechnik sinnvoll nutzbar?

Anwendungen im europäischen Raum verwenden hauptsächlich 600/650-V- und 1200-V-Halbleiter. Aktuell sind im Bereich 600/650-V-SJ-MOSFETs und IGBTs dominierend, im Bereich 1200 V fast ausschließlich IGBTs. SiC-Transistoren sind im 1200-V-Bereich in unterschiedlichen Varianten verschiedener Hersteller erhältlich. Welche Möglichkeiten, aber auch Limitierungen, sich für die Antriebstechnik aus dem Einsatz der SiC-Technologien ergeben, wird im folgenden Artikel beleuchtet.

Eigenschaften von Halbleitern in Silizumkarbid (SiC)

Über den Aufbau und die Eigenschaften von SiC existieren bereits umfangreiche Veröffentlichungen, sodass hier nur in Kürze einige charakteristische Daten aufgeführt werden: Im atomaren Aufbau der Halbleiterstruktur existiert eine Bandlücke, zu deren Überwindung eine Energie erforderlich ist. Diese ist bei Silizium (Si) EG ≈ 1,1 eV. Materialien mit Energien EG > 1,7 eV, werden „Halbleiter mit großer Bandlücke“ (englisch: wide-bandgap semiconductor) genannt. Beispiel: SiC ≈ 2,39 - 3,33 eV, GaN ≈ 3,2 eV. Bild 1 stellt die Unterschiede der Material- und Bauteileigenschaften dar, im direkten Vergleich von Silizumkarbid (SiC) mit Silizium (Si).

Hohe Junction-Temperatur mit SiC-Bausteinen

Für die Anwendung lassen sich drei Hauptvorteile gegenüber Si-Bauteilen nennen: höhere Junction-Temperatur, höhere Leistungsdichte sowie höhere Schaltgeschwindigkeit und Schaltfrequenz. Von welchen dieser Vorteile kann die elektrische Antriebstechnik nun wirklich profitieren? Diese Frage gilt vor allem vor dem Hintergrund der aktuell noch höheren Bauteilkosten der Halbleiter, welche auf der Ebene der Systemkosten mit allen zugehörigen Komponenten zumindest kompensiert werden müssen.

Wie in Bild 1 gezeigt, sind die Materialeigenschaften von SiC im Hinblick auf thermische Leitfähigkeit als auch die spezifische Maximaltemperatur denen von Silizium weit überlegen. Insbesondere die verbesserte thermische Leitfähigkeit führt zu einer Stärkung der thermischen Robustheit des Bauteils, was letztendlich dazu führt, dass bei Spitzenleistungen wie sie beispielsweise bei Kurzschluss-Ereignissen entstehen, auch bei kleineren Chipflächen besser abgeführt werden können.

Hohe Leistungsdichten durch SiC-Leistungsschalter

Bei dieser Betrachtung müssen die Limitierungen der heute gängigen kunststoffumspritzten Gehäusetypen berücksichtigt werden, die hier maximal ein Tj = 175 °C zulassen. Neue Materialien, Prozesse und Gehäusetypen für die Hochtemperatur-Varianten müssen erst realisiert werden, um die höhere Junction-Temperatur besser nutzen zu können. Erhältlich sind bereits einige Bauteile mit Spezialgehäusen wie etwa TO258, die bis 250 °C spezifiziert sind.

An dieser Stelle muss zwischen den auf dem Markt erhältlichen Technologien differenziert werden, da sich die Bauteilcharakteristika zum Teil erheblich in Funktion und Ansteuerung unterscheiden. In Bild 2 werden die vier grundsätzlichen SiC-Halbleiterschaltertypen mit einem Silizium-IGBT verglichen.

Der spezifische On-Widerstand (RDS(on)) wird in der Einheit [mΩ*cm²] bei definierter Junction-Temperatur (Tj = 25 °C) angegeben. Auf dem Markt erhältliche Bauteile verfügen hier über Werte im Bereich 2,3 bis 8 mΩ abhängig von der jeweiligen Technologie.

Ein weiteres signifikantes Kriterium beim Einsatz von SiC-Bauelementen in der Antriebstechnik bzw. Leistungselektronik allgemein, ist das Verhalten des spezifischen On-Widerstandes über der Temperatur. Bild 3 zeigt hier normierte Vergleichsdaten verschiedener SiC-Technologien (Quelle: CPES - International Conference and Exhibition on High Temperature Electronics Network; High-Temperature Characterization and Comparison of 1.2 kV SiC Power Semiconductor Devices).

Beim Vergleich der einzelnen Halbleiterbauelemente fällt auf, dass die Erhöhung des spezifischen On-Widerstandes über der Temperatur sehr unterschiedlich ist. SiC-MOSFETs zeigen hier eine signifikante Erhöhung des Widerstandswertes um den Faktor 2,5 bei einem gegebenen ΔT = 175 K.

Der SiC-BJT hingegen zeigt nur einen sehr geringen Anstieg des spezifischen On-Widerstandes über den gesamten Temperaturbereich. Letztendlich führt dies zu minimierten Durchlassverlusten auch bei hohen Junctiontemperaturen, was sich auf die Gesamt-Performance der Anwendung positiv auswirkt. Eine Anmerkung zu Bild 3: Die On-Werte weichen von den typischen Technologiewerten ab, da hier die gesamte Chipfläche des Bauteils, inklusive der Kontaktflächen für die Bond-Drähte, in die Bewertung eingehen.

Ausgehend von einer verfügbaren Chip-Fläche und nur begrenzt durch die Gehäuseform oder den zur Verfügung stehenden Platz in einem Modul, ergibt sich durch die Verwendung von SiC-Bauelementen gegenüber aktueller IGBT-Technologie ein um bis zu Faktor 8 höherer Strom bei gleicher Fläche und Verlustleistung. Des Weiteren besteht somit die Möglichkeit in Applikationen auftretende Ströme mit wesentlich kleineren Chips als auch in kleineren Gehäusen zu beherrschen. Das erhöht wiederum die Leistungsdichte im System und ermöglicht somit eine Kostenersparnis im Hinblick auf passive Komponenten und Mechanik.

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