WBG-Halbleiter Wie man GaN- oder SiC-Bauelemente für Hochspannungsschaltungen auswählt

Autor / Redakteur: Udo Blaga * / Margit Kuther

Ideale Halbleiterschalter gibt es nicht. Aber mit GaN- oder SiC-Bauelementen kann man sich dem gewünschten Idealzustand zumindest annähern. Was aber ist bei der Auswahl konkret zu beachten?

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Bild 1: Geeignete Betriebsbereiche für verschiedene Bauelemente.
Bild 1: Geeignete Betriebsbereiche für verschiedene Bauelemente.
(Bild: Avnet Silica)

Jeder Entwickler wünscht sich den perfekten Schalter, der augenblicklich zwischen den Zuständen „Ein“ und „Aus“ umschaltet und in beiden Zuständen keine Verlustleistung erzeugt. Ein solcher Schalter lässt keinen Strom fließen, wenn er ausgeschaltet ist, und er erzeugt eingeschaltet auch keinen Spannungsabfall. Um die geringstmöglichen Verluste beim Umschalten zu erreichen, hat er zudem eine unendliche Durchbruchspannung. Einen solchen Schalter gibt es jedoch nicht. Reale Schalter haben nur eine endliche Durchbruchspannung und benötigen eine signifikante Umschaltzeit, um zwischen den Zuständen „Ein“ und „Aus“ zu wechseln. Auch weisen sie immer einen gewissen Leckstrom auf, wenn sie ausgeschaltet sind, und einen Spannungsabfall, wenn sie eingeschaltet sind. Reale Schalter sind also immer mit gewissen Schaltverlusten behaftet, die es aber so gering wie möglich zu halten gilt.

Neue Technologie erweitert die Schaltmöglichkeiten

Neue Materialtechnologien für Halbleiter mit breitem Bandabstand (wide-bandgap, WBG), zum Beispiel Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), bieten jedoch Optionen, sich dem Idealzustand einer Schaltung anzunähern. Wie bei neuen Technologien üblich, haben diese Optionen allerdings ihren Preis. Dieser wird jedoch in dem meisten Fällen durch Einsparungen an anderen Stellen des Schaltungsdesigns (Total Cost of Ownership, TCO) sowie durch den kommerziellen Mehrwert der verbesserten Performance (Energieeinsparung) ausgeglichen.

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Es ist zwar noch immer deutlich preisgünstiger, Si-Wafer herzustellen als SiC-Wafer, da dieser Herstellungsprozess bereits seit mehreren Jahrzenten für die Massenproduktion optimiert ist. Das Schneiden, Schleifen und Polieren von SiC-Wafern dauert durch die größerer Härte auch länger als bei Si. Dennoch kann sich der Mehraufwand lohnen, denn diese WBG-Materialien bieten für Schaltungen einige äußerst nützliche Eigenschaften.

Es macht zwar keinen Sinn, einen Si-MOSFET durch einen SiC-MOSFET zu ersetzen, wenn man ein 3-Euro-Steckernetzteil fertigen will. Aber es könnte sich lohnen, eine SiC-Diode anstelle einer Silizium-Epitaxie-Diode zu verwenden, um den Leistungsfaktorkorrekturfilter (Power Factor Correction, PFC) des Netzteils zu optimieren. Dies verbessert nämlich den Wirkungsgrad um 1, vielleicht 2 %. Außerdem entsteht zusätzlicher Spielraum für das thermische und mechanische Design.

Wann es aber sinnvoll, einen Si-Baustein mit einem SiC-MOSFET zu ersetzten? Dies ist immer dann der Fall, wenn man die Treiberstufe der Schaltung so anpassen kann, dass sie eine höhere Gate-On-Spannung liefert, und wenn sie mit einer teils auch negativen Gate-Off-Spannung umgehen kann. Der Vorteil einer solchen Migration liegt in einer drei- bis fünffach höheren Schaltfrequenz des Designs. Dies spart wiederum Platz, da magnetische und andere passive Bauteile kleiner ausgelegt werden können. Und zu den benötigten Treiberstufen und Transistoren gibt es mittlerweile auch passende Gate-Treiberbausteine.

Lohnt es sich jedoch, in die mit 175 bis 200 °C relativ höhere maximale Betriebstemperatur von SiC zu investieren? Diese Frage kann dann mit ja beantwortet werden, wenn die höhere thermische Marge dazu genutzt werden kann, die Spezifikation des Geräts zu verbessern und so neue Märkte zu erschließen, oder um die Größe des Kühlkörpers zu reduzieren und so das fertige Endprodukt zu verkleinern – was für viele Industrie- und Automobilanwendungen durchaus attraktiv sein kann. Allerdings sind diese Märkte oft konservativ, wenn es um die Adaption neuer Technologien geht. Auch erwarten sie eine sehr lange Lebensdauer ihrer Applikationen an. Einige Anbieter von SiC-Bauelementen haben deshalb diese Bedenken nun adressiert und Tests entwickelt – wie beispielsweise den dynamischen H3TRB (high-temperature high-humidity-Test) mit denen gezeigt werden kann, dass SiC-Bauteile von vergleichbare Qualität erreichen wie die klassischen Si-Alternativen.

Was ist aber mit GaN-Bauteilen? Wo sind diese sinnvoll? Derzeit wird die GaN-Technologie vor allem für die Herstellung von 650-V-Bauteilen genutzt, welche in einphasige netzbetriebenen Schaltnetzteilen und Ladegeräten Anwendung finden. Weitere Einsatzbereiche sind zudem Hochspannungs-PFCs, DC/DC- und DC/AC-Wandler, USV-Systeme und kleinere Solar-Inverter. Wie sich diese Einsatzfelder von anderen Gerätetypen einordnen lassen ist in Bild 1 dargestellt (GaN => höhere Schaltfrequenz versus SiC => höhere Spannungen).

Wer sich bei der Auswahl der Bauelemente und -materialien jedoch nicht ganz sicher ist, kann nachstehender einfachen Methodik folgen.

Auswahl von Bauelementen basierend auf den Betriebsbedingungen

Eine Möglichkeit, das zu verwendende Bauelement auszuwählen, besteht darin, sich auf dessen Betriebsbedingungen zu konzentrieren. Nehmen wir als Beispiel das Design einer H-Brücke als Teil eines AC/DC-Wandlers. Die Zwischenkreisspannung beträgt 370 V, der Strom im Transformator beträgt circa 3 A und der Schalter läuft mit 15 bis 25 kHz. Aus Sicherheitsgründen wird ein Bauelement gewählt, das eine Schaltspannung von 650 V und einen kontinuierlichen Stromfluss von mindestens 30 A aushalten kann. Es ist zudem keine Glue Logic vorgesehen. Infolge kann entweder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ein Silizium-Superübergang (SJ), ein SiC- oder ein GaN-Bauelement zum Einsatz kommen. Um das zu verwendende Bauelement nun auf Basis der Betriebsbedingungen auszuwählen, sind eine Reihe von vergleichsweise einfachen Fragen zu beantworten:

  • Wird das Schaltungsdesign bei weniger als etwa 20 kHz schalten?
  • Liegt der Leistungspegel über 3 kW?
  • Sind niedrige Kosten wichtig und ist das Bauelement entsprechen günstig?
  • Wird das Design von einem dreiphasigen Netz versorgt?

Wenn die Antworten auf diese Fragen „ja“ lauten, dann ist die beste Option ein Si-IGBT. Wenn das Design diese Kriterien nicht erfüllt, helfen die nächsten Fragen bei der Eingrenzung der Auswahl:

  • Liegt die Schaltfrequenz zwischen 20 und 100 kHz?
  • Wird das Design unter einer Vielzahl von Netz- und Lastbedingungen betrieben?
  • Benötigt das Design einen hohen Wirkungsgrad bei moderaten Kosten?
  • Wird der Entwurf von einem einphasigen Netz gespeist?

Wenn das Design diese Merkmale erfüllt, dann ist die beste Bauelementoption ein Si-SJ-MOSFET. Wenn das Design diese Kriterien nicht erfüllt, können wir mit folgenden Fragen fortfahren:

  • Liegt die Schaltfrequenz über 100 kHz?
  • Muss das Design unter einer Vielzahl von Leitungs- und Lastbedingungen funktionieren?
  • Handelt es sich um ein Hochleistungsdesign, das mit bis zu mehreren kW betrieben wird, was einen hohen Wirkungsgrad erfordert?
  • Soll das Design einen Leistungsfluss in beide Richtungen ermöglichen?
  • Wird die Konstruktion von einem dreiphasigen Netz versorgt?

Wenn diese Bedingungen zutreffen, dann ist die beste Wahl des Bauelements ein SiC-MOSFET.

Wenn wir unser Bauelement immer noch nicht gefunden haben, sollten wir uns fragen:

  • Liegt die Schaltfrequenz des Designs oberhalb von 100 kHz im MHz-Bereich?
  • Wird es unter einer Vielzahl von Leitungs- und Lastbedingungen arbeiten?
  • Soll das Design mittlere Leistungen bis zu mehreren hundert Watt bei höchster Leistungsdichte und Effizienz unterstützen?
  • Wird das Design von einem einphasigen Netz versorgt?

Wenn das Design diese Kriterien erfüllt, kann die beste Option ein GaN-MOSFET sein.

Auswahl eines Bauelements basierend auf der Zielanwendung

Auch hinsichtlich der Zielanwendungen kann man eine Reihe von Kriterien durchgehen, um zu bestimmen, welches Bauteil verwendet werden soll. Im Allgemeinen empfehlen sich Si-IGBTs für Motortreiber, die mit mehr als 250 W betrieben werden, Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC), die mit mehr als 3 kW betrieben werden, Solar-/Wind-Wechselrichter, die mit mehr als 5 kW betrieben werden, sowie USV-Wechselrichter und H-Brücken-Wechselrichter fürs Schweißen.

Für Motortreiber, die mit weniger als 250 W arbeiten, DC/DC-Wandler, die zwischen 75 W und 3 kW arbeiten, PFC-Schaltungen und LCC-Wandler (Line Commutated Converter) mit niedriger bis mittlerer Leistung, Netzteile mit Eintaktflusswandler, AC/DC-Flyback-Schaltungen mit Universaleingang und Mikro-Wechselrichter für Solaranlagen sollten mit Si-SJ-MOSFETs aufgebaut werden.

Designs mit höherer Leistung, zum Beispiel PFC-Schaltungen für mehr als 3 kW, Solar-Wechselrichter für mehr als 5 kW, einige Elektrofahrzeug- und Onboard-Ladegeräte sowie einige unterbrechungsfreien Stromversorgungen und eingebettete PFC-Schaltungen sollten mit SiC-MOSFETs aufgebaut werden.

Schlussendlich sollten Anwendungen, die von einer einphasigen Netzleitung gespeist werden und mit weniger als 650 V sowie zwischen 75 und 750 W arbeiten und die klein, kühl und tragbar sein müssen, mit GaN-MOSFETs entwickelt werden.

Die Designentscheidung ist allerdings immer ein Kompromiss – unter anderem zwischen der Leistung, den Kosten, den Betriebsanforderungen, der Größe, der thermischen Effizienz und der Verfügbarkeit. Die Einführung von SiC- und GaN-Technologien kann das Ausloten dieser Kompromisse zwar komplexer machen. In einigen Anwendungen können sie aber dazu beitragen, dass sich die Eigenschaften des Designs denen des perfekten Schalters annähern.

* Udo Blaga ist Power Expert für DACH bei Avnet Silica in Poing bei München.

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