Leistungselektronik Mit Siliziumkarbid-Technologie Kosten sparen

Autor / Redakteur: Milena Erenburg * / Margit Kuther

Auch in der Stromversorgung gilt: Kosten reduzieren und Effizienz optimieren. Wie dies gelingt, verrät dieser Beitrag.

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Siliziumkarbid (SiC) im Einsatz: 1200 V SiC-Schottkydiode von USCi
Siliziumkarbid (SiC) im Einsatz: 1200 V SiC-Schottkydiode von USCi
(Bild: USCi / setron)

Zur Steigerung der Effizienz komplexer Systeme in der Leistungselektronik bietet der Markt verschiedene Materialien zur Herstellung elektronischer Bauelemente. Eine wichtige Rolle spielt dabei Siliziumkarbid (SiC). Dieser Halbleiterwerkstoff bietet zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellem Silizium. SiC-Bauteile bedienen erfolgreich ein breites Anwendungsspektrum, darunter Energiewandlungssysteme wie AC/DC-Stromversorgungen, PFC und UPS.

Was zunächst Hochleistungssystemen vorbehalten war, findet aufgrund der hohen Nachfrage nach besseren Wirkungsgraden nun Einsatz auf breiter Linie. Weil Organisationen wie Energy Star zunehmend energieeffizientere Systeme verlangen, setzen viele OEMs immer mehr auf SiC.

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In den kommenden Jahren wird ein exponentielles Wachstum des SiC-Marktes erwartet. Diese Entwicklung basiert auf der steigenden Nachfrage aus dem Bereich der Leistungselektronik, weitere Anwendungsbereiche finden sich in der Automotive-Branche, der Luft- und Raumfahrt, dem Militär und der Hochtemperaturelektronik.

Einer Studie von Yole Développement zufolge verzeichnet vor allem der Markt der Hybrid- und Elektrofahrzeuge einen deutlichen Zuwachs mit exponentiell steigender Tendenz. Die Wachstumsprognose des SiC-Marktes korreliert mit dieser Entwicklung, da sich hier ein großes Anwendungspotenzial bietet. Neue Fahrzeugtechnologien werden in Zukunft von großer Bedeutung sein, und die benötigten hohen Spannungen und Temperaturen erfordern den Einsatz neuer Technologien und Materialien.

Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sich SiC-Bauelemente hervorragend für die neue Generation von Schienenverkehrsfahrzeugen. Der Einsatz von Hochspannungselektronik ist von essentieller Bedeutung in der Automobilindustrie. SiC-Komponenten ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und einen reduzierten Kühlungsaufwand. Durch die Minimierung von Gewicht und Platinenfläche wird ein signifikanter Prozentsatz an Systemkosten eingespart.

Eigenschaften und Vorteile von Siliziumkarbid (SiC)

Die Verwendung von SiC hat auch im Bereich der erneuerbaren Energien Einzug gehalten. Der Wechsel auf SiC-Komponenten bewirkte einen signifikanten Anstieg der Effizienz der Systeme und begünstigt den Trend zu höheren Netzspannungen. Siliziumkarbid gehört zur Gruppe der Wide-Bandgap-Halbleiter und weist eine im Vergleich zu Silizium dreifach größere Bandlücke von 3,28 eV auf. Dies hat weitreichende Auswirkungen auf seine physikalischen und elektrischen Eigenschaften.

Ein wichtiger Faktor ist die zehnfach höhere Durchbruchfeldstärke, aufgrund derer wesentlich höhere Dotierstoffkonzentrationen oder dünnere Driftschichten möglich sind. Ferner sind der weite Betriebsspannungsbereich, der niedrigere spezifische Widerstand sowie die höhere Wärmeleitfähigkeit von Bedeutung.

Im Vergleich zu Silizium bietet SiC zahlreiche Vorteile, welche sich positiv auf das Gesamtsystem auswirken. Der große Bandabstand lässt kleinere Transistorflächen zu und bewirkt eine Reduzierung der Ansteuerungsverluste, was zu einer höheren Effizienz führt. Durch die höhere Durchbruchfeldstärke ist das Bauteil thermisch stabiler und damit weitaus zuverlässiger.

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