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SiC bleibt bei Gleichrichtern eine Nischentechnologie

| Autor / Redakteur: Jos van Loo / Gerd Kucera

Wer die Medien aufmerksam verfolgt hat den Eindruck, dass Halbleiter auf Silizium-Basis durch Wide-Bandgap-Materialien ersetzt werden. Wenn es um Gleichrichter und Dioden geht, trifft das nicht zu. Das weiß Jos van Loo, renommierter Applikationsexperte, und erklärt nachfolgend den Grund.

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Joos van Loo ist Technical Support Engineer bei Taiwan Semiconductor Europe: „Aufgrund der technischen Überlegenheit konkurrieren Dioden aus Silizium nicht mit Dioden aus Siliziumkarbid.“
Joos van Loo ist Technical Support Engineer bei Taiwan Semiconductor Europe: „Aufgrund der technischen Überlegenheit konkurrieren Dioden aus Silizium nicht mit Dioden aus Siliziumkarbid.“
(Bild: Taiwan Semiconductor)

Dioden aus Siliziumkarbid (SiC) sind nicht neu. Normen zur Leistungsfaktorkorrektur wurden in den 1990er Jahren in die Gesetzgebung aufgenommen. Dies war der Beginn des kommerziellen SiC-Marktes. Jetzt, nach etwa 25 Jahren, hat der Markt für Gleichrichter aus Siliziumkarbid laut Marktbeobachter Yole Development gerade einmal 100 Mio. US-$ erreicht. Dieses Marktvolumen entspricht immer noch weniger als 5% des gesamten Marktes für Gleichrichter aus Silizium.

Für die meisten Anwendungen, die Gleichrichter einsetzen, ist das Halbleitermaterial Silizium vollkommen ausreichend. Die Haupteinschränkung ist, dass Schottky-Dioden nur bis 200 V verfügbar sind.

Es wurde viel über die Vorteile von SiC zur Herstellung von Produkten mit höherer Spannung, über das überlegene thermische Verhalten und über das Fehlen von Minoritätsladungsträgern zur Reduzierung der Schaltverluste geschrieben und diskutiert. Der Hauptnachteil von SiC ist jedoch der positive Temperaturkoeffizient Tc der Durchlassspannung Vf. Er führt zu Instabilität und thermisches Durchgehen, insbesondere bei einer hohen Pulsbelastung in Durchlassrichtung.

In vielen Anwendungen folgt auf einen Gleichrichter ein Kondensator zur Energiespeicherung. Während des Anlaufs ist dieser Kondensator leer und es kann ein sehr hoher Stoßstrom von teilweise mehreren hundert Ampere fließen. SiC kann mit diesen Pulsen nicht umgehen. Selbst ein größerer SiC-Chip kann in der Regel nur maximal 100 A bei einem 10-ms-Stoß verkraften; ein Wert, der für Hochleistungsschaltnetzteile (SMPS) nicht ausreicht.

Strategien zur Strombegrenzung, die über den IC implementiert werden, können unzureichend sein. Die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) geforderten Tests fügen in jedem Fall zusätzliche Anforderungen an die Überspannung hinzu, die sich nicht vermeiden lassen.

Daher überbrücken Hardware-Entwickler häufig SiC-Dioden in einem Power Factor Correction Boost Converter. Diese Bypass-Schaltung hat in der Industrie verschiedene Namen, beispielsweise Boost-Pre-Charge-Diode.

In der Bildergalerie weiter unten sehen Sie eine Schaltung, in der ist die Boost-Diode aus SiC und die Start-Up-Bypass-Diode aus Silizium. Ein typisches Beispiel für eine Silizium-Diode für diese Schaltung wäre die Serie S15. Obwohl die 15-A-Nennleistung in einem SMC-Gehäuse nicht praktikabel ist, ist der Nennwert von 350 A für den Stoßstrom-Grenzwert Ifsm für eine 8,3-ms-Halbsinuswelle praktisch und hilfreich für einen Entwickler von SMPS-Produkten mit höherer Leistung. Der negative Temperaturkoeffizient von Silizium hilft nicht nur, das Produkt stabil zu halten, der größere Chip bietet auch aus thermodynamischer Sicht Hilfe.

Bild 1: In diesem Schaltbild ist die Boost-Diode aus SiC und die Start-Up-Bypass-Diode aus Silizium. Der negative Temperaturkoeffizient von Silizium hilft nicht nur, das Produkt stabil zu halten, der größere Chip bietet auch Hilfe aus thermodynamischer Sicht.
Bild 1: In diesem Schaltbild ist die Boost-Diode aus SiC und die Start-Up-Bypass-Diode aus Silizium. Der negative Temperaturkoeffizient von Silizium hilft nicht nur, das Produkt stabil zu halten, der größere Chip bietet auch Hilfe aus thermodynamischer Sicht.
(Bild: Taiwan Semiconductor)

Die transiente thermische Impedanz ist der Schlüsselfaktor, um die Eignung eines Silizium-Rectfiers in dieser Schaltung zu bestimmen. Die fehlende Stoßstromfähigkeit bedeutet, dass SiC nicht die beste Gleichrichtertechnologie ist. Dies eliminiert jegliche Vorteile, die SiC bei höheren Temperaturen und höheren Spannungen in den meisten Volumenanwendungen haben kann.

Nur bei Anwendungen, die ein hartes Schalten erfordern, hat SiC einen Effizienzvorteil. Silizium-Schottky-Dioden sind nur bis 200 V sinnvoll. Wenn es also um 600-V-Produkte geht, verwenden Gleichrichter PN-Übergänge, die Minoritätsträger und lebensdauerreduzierende Materialien wie Platin ins Spiel bringen. Diese führen Schaltverluste ein, die von der Temperatur und dem di/dt der Schaltung abhängig sind. Hier haben SiC-Dioden einen Effizienzvorteil gegenüber Silizium, bei einem deutlichen Kostenaufschlag.

Bild 2: Eine Silizium-Gleichrichterdiode für Hochleistungsanwendungen im DO-214AB-Gehäuse. Die Junction-Temperatur ist mit 150 °C spezifiziert, der Stoßstrom-Grenzwert mit 150 A für eine Spitzensperrspannung 50 bis 1000 V.
Bild 2: Eine Silizium-Gleichrichterdiode für Hochleistungsanwendungen im DO-214AB-Gehäuse. Die Junction-Temperatur ist mit 150 °C spezifiziert, der Stoßstrom-Grenzwert mit 150 A für eine Spitzensperrspannung 50 bis 1000 V.
(Bild: Taiwan Semiconductor)

Viele Hardware-Entwickler fragen uns, ob wir SiC-Dioden herstellen. Oft lautet die eigentliche Frage: Können Sie die Kosten der derzeit verwendeten SiC-Diode reduzieren? Unsere Antwort: Das ist leider nicht möglich. Die Kosten für das Ausgangsmaterial/Substrat sind um den Faktor 10 höher als die Kosten für Silizium. Es geht stets um einen Kompromiss zwischen Kosten und Effizienz.

Die Gleichrichter werden stark durch das System-Design beeinflusst. Schon seit vielen Jahren hätten die Systementwickler die Größe ihres Produktes durch den Einsatz von Superjunction-FETs reduzieren können. Der Wirkungsgrad jedes Flyback-Converters kann durch den Einsatz von Synchrongleichrichtung verbessert werden. Die Entscheidung, dies zu tun oder nicht, ist rein kommerziell. Die Wide-Bandgap-Technologie wird dem gleichen Muster folgen.

Bild 3: Strom-Derating in Durchlassrichtung über die Temperatur (links) und Stoßstrom-Grenzwert (rechts) in Abhängigkeit der Lastwechsel bei 60 Hz.
Bild 3: Strom-Derating in Durchlassrichtung über die Temperatur (links) und Stoßstrom-Grenzwert (rechts) in Abhängigkeit der Lastwechsel bei 60 Hz.
(Bild: Taiwan Semiconductor)

Vielleicht werden SiC-Gleichrichter eines Tages 10% des Gleichrichtermarktes ausmachen, aber sie werden eine Nischentechnologie bleiben. Angesichts der Tatsache, dass es inzwischen fast ebenso viele Anbieter von SiC- wie von Silizium-Gleichrichtern gibt, sollte ihre finanzielle Tragfähigkeit und ihr Geschäftsmodell in Frage gestellt werden. Begründung: 2018 recherchierte ich bei renommierten Marktanalysten zum Investment in die GaN-Technologie. Für die Gesamtinvestition in GaN ergab sich ein Wert irgendwo zwischen 500 Mio. und 1 Mrd. US-$. Demgegenüber lagen die Gesamteinnahmen zu dieser Zeit weltweit bei 20 Mio. US-$.

Es stellt sich die Frage, wie ist in dieser Situation jemals einen Return on Investment erzielbar? Auch bei SiC gibt es enorme Investitionen, aber die Einnahmen spiegeln diese Investitionen nicht wider, sodass die Renditen sehr gering sind. Für einen Markt von 100 bis 200 Mio. US-$ gibt es fast 20 Akteure, wenn man alle Startup-Unternehmen berücksichtigt. Für viele der kleineren Unternehmen ist es praktisch unmöglich, eine Rendite auf ihre Investitionen zu erzielen. Was also in den nächsten Jahren passieren wird, ist eine Marktkonsolidierung, wobei nur einige wenige Akteure überleben werden – wahrscheinlich die größeren. Nie vergessen werden darf, dass SiC und GaN zwei Technologien von entscheidender militärischer Bedeutung sind; einige Unternehmen könnten deshalb überleben. Aber im Allgemeinen können die Finanzdaten für Breitbandmaterialien nicht sehr gut sein.

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