Siliziumkarbid-Halbleiter auf der Überholspur (2023)

Bild 1: Siliziumkarbid-Halbleiter eröffnen neue Dimensionen im Bereich der Leistungselektronik.(Bild: Röhm)

In vielen Anwendungen der Leistungselektronik, wie z. B. industrielle Motorsteuerungen, regenerative Energieerzeugung und insbesondere in der Elektromobilität, spielen Platz-, Gewichts- und Effizienzanforderungen eine wichtige Rolle, und bei der Entwicklung von Produkten müssen Kosten und Aufwand gering gehalten werden.bei gleichzeitiger Gewährleistung der Produktqualität und Betriebssicherheit.

Im Rahmen des SiC & Power Forums in Nürnberg präsentierte der Halbleiterhersteller Rohm seine Innovationen im Bereich Leistungshalbleiter, mit Fokus auf SiC-Technologie. Warum sich der Einsatz teurerer Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter lohnt, wo ihre Vorteile gegenüber klassischen Silizium-Bauelementen liegen und für welche Anwendungen sie sich besonders eignen, fasst der folgende Artikel zusammen.

„Im Vergleich zu klassischen Si-Leistungshalbleitern haben SiC-Leistungsbauelemente gleicher Größe eine deutlich höhere Schaltleistung bei gleichzeitig deutlich geringeren Schaltverlusten“, sagt Dr. Kazuhide Ino, General Manager der Rohm Power Devices Division. „Das bedeutet weniger Komponenten in der Leistungsstufe und auch kleinere Kühlkörper. Die höhere Schaltgeschwindigkeit ermöglicht den Betrieb mit höheren Taktraten beim Einsatz in Schaltwandlern, was zu deutlich kleineren und leichteren Speicherinduktivitäten und -kapazitäten führt.“

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid entwickeln sich weiter

Während die elektrische Feldstärke bei Silizium (Si) etwa 0,3 MV/cm beträgt, ist sie bei Siliziumkarbid (SiC) mit 2,8 MV/cm fast zehnmal höher (Abb. 2). Höhere Feldstärke und hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit von ca. 2 × 10⁷cm/s erlauben eine deutlich dünnere Schalentopologie als bei Si; Daher ist ein SiC-Wafer so dick wie ein Blatt Papier. Die Elementarwirkung ist der spezifische Oberflächenwiderstand (R_gemeinsam), was nur 1/6 bis 1/10 des Wertes eines Silizium-basierten SJ-MOSFET ist. Zusammen mit der hohen Beweglichkeit des Ladungsträgers ergeben sich dadurch kürzere Schaltzeiten, was die Verlustleistung beim Schalten deutlich reduziert.

Durch eine spezielle Geometrie der Halbleiterzonen mit unterschiedlichen Dotierungsbereichen und ausgedehnter Grenzschicht (Trench Gate, Drilling) können die Leistungs- und Schalteigenschaften der Leistungsbauelemente sowie die interne E-Feldverteilung optimiert werden. Das bedeutet zum Beispiel, dass es bei Schottkey-Dioden keine Sperrströme gibt und bei Hybrid-MOS eine neue U-I-Kennlinie als Kombination von IGBTs und Superjunction-MOSFETs. Generell sind Schaltspannungen, -ströme und -frequenzen deutlich höher, Verlustleistungen geringer und Temperaturabhängigkeiten besser ausgeglichen.

SiC vs. GaN

„SiC-MOSFETs sind für Anwendungen mit hohen Schaltkapazitäten besser geeignet als Silizium-Leistungstransistoren: Galliumnitrid-HEMTs sind bei sehr hohen Schaltfrequenzen effektiver“, erklärt Dr. Ino (Abbildung 3).

SiC-Transistoren haben eine vertikale Zellenstruktur zwischen Source und Drain (Abbildung 4), der Stromfluss erfolgt direkt durch die Zellen und sie können Ströme > 100 A bei Spannungen im Bereich von 600 V bis 6 kV schalten. Hartdiamantmaterial hält einer fast dreimal höheren Chiptemperatur stand und leitet Wärmeverluste fast dreimal besser als Si oder GaN. Diese Leistungshalbleiter eignen sich besonders für den Einsatz als Schaltregler in Elektrofahrzeugen, Hochvoltladegeräten, industriellen Motorsteuerungen sowie Bahn- und Energieversorgungsnetzen, wo Leistungen im zweistelligen Megawattbereich geschaltet werden müssen mehrere 100 kHz. .

GaN-HEMTs (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors) haben eine laterale Zellstruktur (Abbildung 4), der Stromfluss erfolgt in Längsrichtung durch die Zelle. Hinsichtlich Schaltspannungen und Chiptemperatur sind sie vergleichbar mit SiC-Transistoren, jedoch ist die Wärmeleitfähigkeit von GaN kaum besser als die von Si, wodurch die Stromtragfähigkeit eher im Bereich < 20 A liegt. Mit hoher Elektronenbeweglichkeit sind GaN-Transistoren ideal für Hochfrequenzanwendungen in der Übertragung und Telekommunikation mit Frequenzen bis zu zwei Stellen von Gigahertz.

potenzielle Wirtschaft

Geringere Wärmeverluste beim Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern bedeuten auch einen höheren Wirkungsgrad und kleinere Kühlkörper, was den Platz- und Gewichtsbedarf reduziert. Die höheren Schaltgeschwindigkeiten von SiC-Bauelementen ermöglichen eine höhere Schaltfrequenz, wodurch Induktivitäten und Speicherkapazitäten kleiner und leichter skaliert werden können. Einhergehend mit höheren Schaltspannungen steigt die Leistungsdichte in Schaltwandlern und Leistungsendstufen deutlich an. Wo früher für hohe Schaltspannungen und -ströme mehrere Si-Leistungsschalter parallel oder in Reihe geschaltet wurden, genügen heute einzelne SiC-Leistungshalbleiter.

Obwohl die SiC-Technologie mangels größerer Stückzahlen etwas aufwändiger und derzeit sogar teurer als Silizium ist, ermöglicht der Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern teilweise deutliche Verbesserungen hinsichtlich Wirkungsgrad, Schaltungsaufwand, Größe und Gewicht.

Das Anwendungsbeispiel eines dreiphasigen resonanten DC/DC-Wandlers (LLC) mit einer Ausgangsleistung von 5 kW verdeutlicht das Einsparpotenzial in Bild 5: Der ursprünglich mit Si-IGBTs gebaute Wandler wog 7 kg bei einem Volumen von 8,7 l und geschrumpft mit größerem SiC-Halbleiter getaktet auf 0,9 kg mit nur 1,3 l. Bei 20 kHz wurden die Schaltverluste um 63 % reduziert.

Verbesserung der Leistung von SiC-Leistungshalbleitern von Rohms

Für alle Anwendungsbereiche in der Leistungselektronik bietet Rohm siliziumbasierte diskrete Halbleiterbauelemente (Schottky-Diode, Super-Junction-MOSFET, Hybrid-MOS, IGBT, FRD) mit Spannungsbereichen von 300 bis 1200 V sowie MOSFETs aus SiC und SBD bis zu 1700 V. GaN-HEMT befinden sich derzeit in der Entwicklung. Die Simulationstools von Rohm für SiC-Leistungshalbleiter helfen Entwicklern, Leistungsverluste zu berechnen und Schaltungen mit dem Spice-Modell zu simulieren.

Integrierte SiC-Leistungsmodule und entsprechende Gate-Treiber-ICs werden miteinander kombiniert, erreichen die notwendige funktionale Sicherheit und reduzieren den Entwicklungsaufwand für Schaltungsdesigner.

Die 180-A-Leistungsmodule der dritten Generation von Rohm auf Basis von UMOSFET (Trench Gate Technology) mit integrierter SBD (Schottky Barrier Diode) schalten bis zu 180 A bei 1200 V mit einem R_{DS ein}ab 10mOhm. Eine Metallplatte führt zur Unterseite der vollvergossenen Blockmodule.An der Oberseite kann über Stiftverbindungen eine Controllerplatine angeschlossen werden (Abbildung 1, obere linke Ecke). Über seitliche Schraubflansche können Stromleitungen und Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen werden. Die größeren Leistungsmodule der BSM300-Serie schalten gut gekühlt bei 600 V bei 10 kHz 280 A und bei 50 kHz 180 A. Bei Schaltfrequenzen über 10 kHz sind sie leistungsstärker und effizienter als herkömmliche IGBT-Module.

„SiC-Halbleiter-optimierte Gate-Treiber-ICs sind für höhere Schaltfrequenzen von mehr als 100 kHz und Ausgangspegel bis 24 V ausgelegt. Sie haben eine verbesserte Störfestigkeit, reduzieren Schaltverluste und verbessern das Soft-Off-Schaltverhalten“, erklärt Fabrice. Gingore, Product Marketing Manager bei Rohm, ergänzt: „Eine Besonderheit sind die kernlosen Trafo-Trennmodule anstelle herkömmlicher Optokoppler. Die induktive Signalübertragung schaltet deutlich schneller und mit steileren Flanken als die Variante Optik und verbessert dadurch Verzögerung und Jitter des Eingangs und Ausgangssignale. (Abbildung 6)

Schottky-Dioden, DMOSFET und UMOSFET

Ob als diskretes Bauelement oder integriert in Leistungstransistoren, Rohms SiC Schottky Barrier Diodes (SBDs) erreichen auch bei hohen Betriebstemperaturen einen hohen Strom I._MEVmit kleinem Spannungsabfall V_F. Wie in Bild 7 zu sehen ist, wird der Sperrverzögerungsstrom beim Ausschalten mit einer SiC-SBD fast vollständig eliminiert.

Dieser Vorteil gilt auch für SiC-DMOSFETs mit integrierter ultraschneller Body-Diode, die Verlustleistung und Emissionen reduziert. Die deutlich kürzeren Schaltzeiten der Kombination SiC-DMOS + SBD reduzieren die Verlustleistung beim Abschalten (E_aus) in 88 %, zum Ligationszeitpunkt (Eon) in 34 % bezogen auf IGBT + FRD (Abbildung 8).

Im Gegensatz zum Flat-Gate des DMOSFET vergrößert ein Trench-Gate der neuen SiC-UMOSFETs die Grenzschichtflächen und halbiert damit den RonA von 8,2 mOhm cm²al DMOSFET a 4,1 mOhm cm². Die Double-Trench-Geometrie von Rohm verbessert die Feldverteilung in der Shunt-Schicht und erhöht damit die interne Bruchsicherheit des Gates (Bild 9).

SJ-MOSFET, IGBT und Hybrid-MOSFET

"Ein tieferes P⁺-Kanal Nr. N^–Die Verarmungsschicht von Si-Superjunction-MOSFETs erhöht die Effizienz dieser sehr schnellen 600-V-Leistungsschalter, führt jedoch bei Schaltfrequenzen über 100 MHz zu einem unerwünschten Anstieg von Störemissionen nahe an den zulässigen Grenzwerten. , erklärt Masaharu Nakanishi von European Product Marketing. in röhm. „SiC-MOSFETs mit deutlich besseren Leistungseigenschaften sind die Si-Superjunction-MOSFETssie sind überlegen und können sie ersetzen.“ Abbildung 10 zeigt die Unterschiede in der Struktur von Halbleiterschichten in planaren Si-, Si-Superjunction- und SiC-MOSFETs.

Mit steigender Schaltgeschwindigkeit nehmen bei Leistungshalbleitern in der Regel auch die Störaussendungen zu. Daher verfolgt Rohm mit Si-Super-Junction-MOSFETs einen zweigleisigen Ansatz und sucht nach höheren Schaltgeschwindigkeiten mit dem schnell schaltenden Typ R6020KNX (t_aus= 63 ns bei 600 V / 20 A), während der rauscharme R6020ENX etwas langsamer (t_aus= 136 ns bei 600 V / 20 A) hat oberhalb der Schaltfrequenz von 100 MHz eine geringere Störaussendung.

Ein dünneres P⁺Die Substrat- (Kollektor-) Schicht in Verbindung mit der Piercing-Technologie in IGBTs erzeugt eine bessere Feldverteilung, schnelleres Schalten, eine ausgeprägtere U-I-Charakteristik und daher weniger Energieverlust zum Zeitpunkt des Schaltens. Die aktuelle Entwicklung der dritten IGBT-Generation folgt zwei Varianten: 1200 V/300 A und 1800 V/50 A mit integrierter Diode.

Die U-I-Charakteristik des Hybrid-MOSFET kombiniert die Eigenschaften des Super-Junction-MOSFET (bei niedrigeren Spannungen) und IGBTs (bei höheren Spannungen), wie in Abbildung 11 gezeigt. Der reduzierte Drain-Source-Spannungsabfall führt zu 81 % weniger Schaltvorgängen Verlustleistung als bei IGBTs bei niedrigen Leistungen von 500 W und 56 % bei höheren Leistungen in der Größenordnung von 4 kW.

Anwendungsbeispiele

In der zweiten Tageshälfte präsentierten verschiedene Unternehmen und Institute auf dem SiC & Power Forum weitere Komponenten und Analyseergebnisse für Anwendungen mit SiC-Leistungshalbleitern von Rohm. Das Institut für Solare Energiesysteme (ISE) der Fraunhofer-Gesellschaft baute den oben erwähnten 10-kW-3-Phasen-USV-Wechselrichter mit SiC-Schaltern um, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert, der Bauraum reduziert und potenzielle Einsparungen im Vergleich zur ursprünglichen SI-basierten Variante - bestimmte MOSFETs - erzielt wurden. Die Hochrechnung der kontinuierlichen Betriebskosten einer 10 kW unterbrechungsfreien Stromversorgung über einen Zeitraum von 10 Jahren ist beeindruckend: 3200 Euro/Jahr bezogen auf Si1200 Euro/Jahr basierend auf SiC. Der Energieverlust ist für den größten Anteil verantwortlich.

Im Bereich Elektromobilität hat das Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) der Leibniz Universität Hannover die Leistungskomponenten des Hochvolt-Antriebsstrangs (Zwischenkreisverstärker + Wechselrichter, Bild 12) und mit den parametrierbaren Simulationsmodellen modelliert , untersuchten das Wärmemanagement in Bezug auf die Größenoptimierung von SiC-Chips. Beim Wechselrichter ergab ein Vergleich des alten 2010er Prius VSI (Voltage Source Inverter) mit einem 60 kW VSI IAL auf Basis von SiC-Leistungshalbleitern folgende Einsparpotenziale: 76 % weniger benötigte Chipfläche, das Volumen des Kondensators ist 91 % kleiner, das Gewicht des Kondensators wird um 68 % reduziert. Auch die Fläche des Zwischenkreis-Booster-Chips wurde um 76 %, das Volumen der Speicherdrosseln um 81 % und deren Gewicht um 56 % reduziert.

Die Firma EPCOS (TDK-Gruppe) hat passive Bauelemente wie Induktivitäten und Kapazitäten speziell für SiC-Anwendungen angepasst. Da bei hohen Leistungen die magnetische Flussdichte im Spulenkern in Sättigung gerät, werden die Speicherinduktivitäten für höhere Schaltfrequenzen optimiert. Keramikbasierte EMV-Kondensatoren (Snubber) können ihre Kapazität in Abhängigkeit von der Größe des Überschwingens (Welligkeit) am Ausgang der Schaltregler ändern und so die Emissionen adaptiv reduzieren (Bild 13). Im Vergleich zu MKP-Kondensatoren haben Cera-Link-Kondensatoren eine hohe Kapazitätsdichte von 4,9 µF/cm.³und Strombelastbarkeit von 12 A/µF.

Bei Trägersubstraten für SiC-Leistungsmodule verwendet Rogers/Curamik anstelle von herkömmlichem AL₂Ö₃Nein Ja₂Norte₄, ein Material mit guter Zugfestigkeit, geringer Rissausbreitung, guter Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit.

Panorama

Der Trend in der Leistungselektronik geht zu höheren Schaltleistungen bei Spannungen über 3,3 kV. Kaskadierte SiC-MOS-Bauelemente können in sehr kurzer Zeit mehrere 10 kV und einige 100 A schalten und eignen sich daher auch für den Einsatz als Leistungspulsgenerator (32 kV / 240 A bei < 50 ns bei 2 MHz), Plasmagenerator und Teilchenbeschleuniger oder in der Strahlentherapie und in Radar- und Röntgensystemen.

Ein letztes Anwendungsbeispiel ist beeindruckend: Ein herkömmlicher Teilchenbeschleuniger mit einer Leistung von 40 kW und einer Länge von 1600 m kann mit einem 160-kV-SiC-Pulsgenerator und einigen anderen Modifikationen auf eine Länge von 6 m reduziert werden.

Die Veröffentlichung basiertin Unterlagen für das SiC & Power Fachforum von Rohm.

(trinken)