Worin liegt das Geheimnis einer breiten Bandlücke? Was macht Siliziumkarbid (SiC) so interessant, und in welchen Anwendungen kommen seine Vorteile besonders gut zum Tragen? Antworten auf diese Fragen liefert Ihnen ein Blick auf die Merkmale der Infineon CoolSiC™-MOSFETs und deren Vorteile gegenüber planaren MOSFETs. Im vorliegenden Informationsartikel erfahren Sie auch mehr über SiC-spezifische Tests und Prüfmethoden.
Siliziumkarbid-MOSFETs bieten durch ihr Ausgangsmaterial eine breite Bandlücke. Sie ergänzen das bestehende Sortiment von IGBTs und MOSFETs mit Leistungsbereichen von typischerweise mehr als 1 Kilowatt und Schaltfrequenzen von mehreren Hundert Kilohertz.
Aber worin liegt das Geheimnis einer breiten Bandlücke?
Die breitere Bandlücke hängt direkt mit dem Durchbruchfeld zusammen. Ein höheres Durchbruchfeld bedeutet höhere Betriebsspannungen bei gleichen Abmessungen im Vergleich zu Silizium (dünnere aktive Schichten). Dies ermöglicht höhere Leistungsdichte und höhere Schaltfrequenzen. Darüber hinaus bietet die hervorragende Wärmeleitfähigkeit auch den Vorteil einer verbesserten Wärmeableitung.
Die dünneren aktiven Schichten besitzen durch die größere Anzahl freier Elektronen auch einen geringeren Schichtwiderstand RS. Dadurch können Entwickler unipolare Siliziumkarbid-Bausteine auch für höhere Sperrspannungen einsetzen, in denen typischerweise IGBTs verwendet werden.
Im Vergleich zu IGBTs punktet Siliziumkarbid außerdem durch reduzierte Schaltverluste und Kniespannungsfreiheit im Durchlasszustand. Ferner lässt sich dank integrierter Freilaufdioden der Komponentenaufwand verringern.
Für welche Einsatzgebiete ist Siliziumkarbid gedacht?
Zwar wird Silizium auch im nächsten Jahrzehnt noch die vorherrschende Technologie bleiben. Aber es gibt einige Einsatzgebiete, in denen sich schon heute ein Blick auf das Preis-Leistungs-Verhältnis von SiC lohnt. Siliziumkarbid-MOSFETs können trotz ihrer höheren Kosten ein wirtschaftlicheres Gesamtsystem ermöglichen; dann wäre der sogenannte Wendepunkt (Tipping Point) erreicht.
- 1. Fotovoltaik
Mit CoolSiC™ lässt sich die Leistungsdichte eines Solarstrangwechselrichters um den Faktor 2,5 gegenüber Si-IGBTs erhöhen. Ferner lässt sich auch die Anzahl der Schalter reduzieren (3-Level-Lösungen statt 5-Level-Lösungen), was die Fehleranfälligkeit reduziert. Nicht zuletzt erhöht sich die Systemeffizienz auf 99,1% gegenüber 98,9%. - 2. Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
CoolSiC™ ermöglicht eine Verringerung der Leistungsverluste um mehr als 40 %. Die Kosten für den Betrieb eines USV-Systems mit 1 MW bei 50 % Auslastung über 5 Jahre lassen sich um nahezu 50 % reduzieren, wenn anstelle einer 2-Level-Lösung auf Siliziumbasis die disruptive 2-Level-Lösung mit SiC 2 eingesetzt wird. - 3. Servoantriebe
Der Aufbau von Servoantrieben mit CoolSiC™ MOSFETs bietet in allen Betriebsarten eine Reduzierung von Verlusten um bis zu 80 % bezogen auf das Gesamtsystem.
Der Kühlkörper kann um bis zu 60 % kleiner ausfallen. Sogar lüfterlose Antriebe lassen sich umsetzen, was einen geringeren Wartungsaufwand bedeutet.
Ferner kann auch der Verkabelungsaufwand reduziert werden, da sich der Wechselrichter durch seine kompakten Maße direkt auf dem Motor integrieren lässt.
Was ist das Besondere an der SiC-Technologie von Infineon?
Bei der Entwicklung von CoolSiC™ MOSFET betrachtete Infineon das Verhältnis von Zuverlässigkeit, Systemkompatibilität, Robustheit, Volumen, Fertigungsmöglichkeit sowie Kosten.
Danach wurde entschieden, die Siliziumkarbid-Lösung auf einem Trench-Konzept zu basieren. CoolSiC™ bietet gegenüber Planarlösungen anderer Hersteller folgende Vorteile:
- – überlegene Gateoxid-Zuverlässigkeit
- – Schwellenspannung Vth > 4 V
- – Kurzschlussfestigkeit von 2 µs
- – IGBT-kompatible Gate-Ansteuerung +15 (18 V) zum Einschalten
- – kein parasitäres Einschalten
- – Einschalten bei 0 V möglich
CoolSiC™ ist damit so robust und zuverlässig wie Silizium, bietet jedoch ein höheres Leistungsniveau.
Warum ist Infineon in der Qualität führend?
Infineon berücksichtigt materialspezifische Fehlermodi durch dedizierte Tests und erweiterte Prüfverfahren, die über den standardmäßigen Qualifizierungsprozess hinausgehen.
So überwacht Infineon beispielsweise neben dem Belastungstest AEC-Q101 für Automobilprodukte oder der JEDEC-Norm für die Industrie zusätzlich die folgenden Aspekte:
- – Mehr Temperaturzyklen
- – Längere Beständigkeit im HTRB-Test (High Temperature Reverse Bias)
- – Hochspannungen, Transienten und Überschwingung
- – Neue Szenarien für klimatische Tests sowie dynamische Prüfmuster
Der Umfang der Zuverlässigkeitsprüfungen wurde konsequent erweitert, um auch die Anwendungsanforderungen und Feldbedingungen zu berücksichtigen.
Wichtige Merkmale
- CoolSiC™ MOSFET im Vergleich zum Wettbewerb
- • überlegene Gateoxid-Zuverlässigkeit
- • Schwellenspannung Vth > 4 V
- • Kurzschlussfestigkeit, 2 µs
- • IGBT-kompatible Gate-Ansteuerung, +15 (18 V) zum Einschalten
- • kein parasitäres Einschalten
- • Einschalten bei 0 V möglich
Allgemeine Anwendungen
- • Fotovoltaik
- • USV
- • Servoantriebe
- • Laden von Elektrofahrzeugen
- • Energiespeichersysteme
- • Server und Telekommunikation
- • Hauptwechselrichter für E-Mobilität
- • Bordladegerät für E-Mobilität
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