Unterstützung für Entwickler Ausgereiftes SiC-Ökosystem

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Neben den Leistungshalbleitern selbst und den Datenblättern dazu hilft ein ganzes Ökosystem aus Entwicklungskits, Simulationsmodellen, Referenzdesigns, usw. bei der Entwicklung – dies gilt auch für SiC-Komponenten.

Entwickler elektronischer Schaltungen wissen zu schätzen, dass Halbleiterhersteller ihnen verschiedenste Tools und Ressourcen für ihre Arbeit zur Verfügung stellen. Neben den obligatorischen Datenblättern, deren Formate sich ständig weiterentwickeln, stellen sie für die Produkte heute regelmäßig Evaluierungsboards/-kits, SPICE-Modelle und Simulationstools, Referenzdesigns, Auswahlleitfäden, Anwendungshinweise und andere unterstützende Unterlagen bereit. Dieses Ökosystem soll es Entwicklern erleichtern, eines ihrer Bauteile in die Stückliste mit aufzunehmen. Darüber hinaus wollen die meisten Hersteller damit ihre starken Lieferketten demonstrieren – entweder intern oder durch den Einsatz leistungsfähiger externer Fertigungseinrichtungen – und Bauelemente mit verschiedenen Gehäuseoptionen anbieten.

Im Gegensatz dazu wurde Siliziumkarbid (SiC) bisher als „neue“ Technik wahrgenommen, die nicht über das gleiche ausgereifte Ökosystem der klassischen Halbleiterbauelemente verfügt – und das obwohl SiC bereits seit mehreren Jahrzehnten auf dem Markt ist. Möglicherweise ist die Verbindung zu neueren Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Solarwechselrichtern der Grund dafür. Dieser Beitrag beschreibt, welche Maßnahmen der Hersteller Onsemi ergreift, um diesen Mythos zu zerstreuen. Zahlreiche Support-Maßnahmen stehen für Entwickler von Leistungselektronik bereit, die den Einsatz von SiC-Bauelementen in ihren Anwendungen erwägen.

Umfangreiches SiC-Angebot

Viele Entwickler gehen davon aus, dass SiC-Anbieter nur eine Reihe diskreter Dioden, MOSFETs oder Module anbieten und deren Einsatz somit auf Nischenanwendungen in der Leistungselektronik beschränkt ist. Im Gegensatz dazu hat Onsemi kürzlich die dritte Generation seiner EliteSiC-Baureihe vorgestellt und bietet nun mehr als 120 SiC-Dioden mit Einzel- oder gemeinsamer Kathode für Betriebsspannungen von 650 bis 1700 V (als Reaktion auf den Trend zu höheren Spannungen, um die Ladeströme zu reduzieren) und mehrere Gehäuseoptionen, darunter DPAK, D2PAK, TO und PQFN. Außerdem steht eine ähnliche Anzahl (>100) von 650-, 900-, 1200- und 1700-V-SiC-MOSFET-Varianten (M1, M2, M3S) in einer Auswahl von D2PAK- und TO-Gehäusen bereit (Bild 1).

Darüber hinaus hat der Hersteller über 30 EliteSiC-PIMs (Power Integrated Module) mit SiC-MOSFETs und SiC-Dioden mit Spannungen bis zu 1200 V an. Auch mehr als 20 hybride Si-IGBT- /SiC-Module sind erhältlich, die die besten Eigenschaften der SiC- und Silizium-Technologien verbinden. Dieses Angebot wurde für hohe Leistung und Hochtemperaturbetrieb in industrie- und automotive-konformen Gehäusen für verschiedene Leistungselektronik-Anwendungen optimiert. SiC-Schaltbauteile stellen besondere Anforderungen an die Ansteuerung in Bezug auf die Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI). Onsemi bietet mehrere Gate-Treiber wie den NCP51705 und NCP51561, die für die Ansteuerung von SiC-MOSFETs entwickelt wurden.

Evaluierungsboards und Referenzdesigns

Wie ihre Silizium-Pendants wird auch das EliteSiC-Angebot durch Evaluierungsboards unterstützt, sodass Entwickler die Funktionen und Vorteile der Bauelemente schnell und effizient evaluieren können. Darüber hinaus entwickelt Onsemi kontinuierlich Referenzdesigns, die anhand von Prototypen Lösungen demonstrieren, wie z.B. das SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK-Referenzdesign-Kit für ein 25kW-DC-Schnellladegerät für Elektrofahrzeuge, das auf einem SiC-Leistungsmodul basiert (Bild 2). Diese SiC-Komplettlösung besteht aus Leistungsfaktorkorrektur-/PFC- und DC/DC-Stufen mit mehreren 1200 V/10 mΩ-Halbbrücken-SiC-Modulen NXH010P120MNF1 mit geringem RDS(ON) und niedriger parasitärer Induktivität, um Leitungs- und Schaltverluste deutlich zu reduzieren.

Design- und Simulationstools

Entwickler von Leistungselektronik nutzen häufig Simulationstools, um die Funktionsweise eines Designs zu überprüfen, bevor sie sich auf die Kosten und den Aufwand für die Entwicklung und Fertigung einer Platine einlassen. Software-Simulatoren verwenden SPICE-Modelle, um mathematisch vorherzusagen, wie sich eine Schaltung verhält. Für Entwickler, die bisher noch nicht mit SiC-Bauelementen gearbeitet haben, ist dies eine wichtige Voraussetzung, um Vertrauen in eine Technologie zu gewinnen, mit der sie nicht vertraut sind.

Onsemi hat skalierbare SPICE-Modelle für seine SiC-Bauelemente entwickelt. Darüber hinaus bietet der Elite Power Simulator eine genaue Darstellung der Funktionsweise der EliteSiC-basierten Schaltung, einschließlich der Auswirkungen von Fertigungstoleranzen. Während sich die PLECS-Modelle branchentypischer System-Level-Simulatoren nur für Hard-Switching eignen, hat der Hersteller fortschrittliche PLECS-Modelle entwickelt, die für Hard- und Soft-Switching-Anwendungen wie LLC und CLLC Resonant, Dual Active Bridge und Phase Shifted Full Bridge gültig sind. Die robusten Modelle sind für mehrere SPICE-Simulationsplattformen wie PSpice, LTspice, Simetrix, Spectre, ADS, SABER und Simplorer einsetzbar.

Ein Self-Service PLECS Model Generator bietet Entwicklern von Leistungselektronik die Möglichkeit, kundenspezifische PLECS-Modelle auf Systemebene mit hoher Genauigkeit zu erstellen. Die generierten Modelle lassen sich direkt in der Simulationsplattform verwenden oder zur Simulation in den Elite Power Simulator hochladen. Die Modelle werden auf der Grundlage von typischen oder Worst-Case-Bedingungen erstellt, damit der Kunde innerhalb der Technologiegrenzen entwerfen kann. Die Möglichkeit, anwendungsspezifische parasitäre Elemente zu definieren, stellt sicher, dass die generierten PLECS-Modelle hochgenaue Ergebnisse für die Simulationen auf Systemebene des Kunden liefern.

Materialqualität

Während die physikalischen Eigenschaften von SiC es zu einem der interessantesten Halbleitermaterialien für die Herstellung von Leistungselektronik machen, sind die spezifischen Herausforderungen von SiC-Materialien mit potenziellen prozessbedingten Zuverlässigkeitsrisiken verbunden – selbst wenn höchste Ansprüche an die Produktzuverlässigkeit gestellt werden. Um diese zu beseitigen, muss man die Fehlerarten und -mechanismen verstehen, sie mit Hilfe von Fehleranalyseverfahren zurückverfolgen, um Prozessschwächen zu identifizieren, und geeignete Korrekturmaßnahmen einführen, die in den Fertigungsprozess integriert werden. Eine umfassende Wafer- und Produktqualifizierung trägt dem Rechnung. Onsemi hat eine funktionsübergreifende Methodik entwickelt, um seine SiC-Produkte zu bewerten, bevor sie sicher auf den Markt gebracht werden. Die Kombination aus strenger Designmethodik, Produktionsüberwachung, Fertigungskontrolle, angemessenem Screening und robusten Qualifizierungsverfahren ist die Grundlage für die robusten und zuverlässigen SiC-Produkte, die Onsemi heute liefert und vertritt.

Vertikal integrierte Lieferkette

Eine der größten Sorgen von Entwicklern, die eine Umstellung auf SiC in ihren Designs in Erwägung ziehen, ist die rechtzeitige und bedarfsgerechte Verfügbarkeit (oder das Fehlen) von Produkten. Die SiC-Lieferkette von Onsemi beginnt mit dem Züchten von einkristallinem Siliziumkarbidmaterial im Werk in Hudson, New Hampshire, wo zunächst Wafersubstrate hergestellt werden. Auf diesen wird dann eine dünne Epi-Schicht gezüchtet, gefolgt von mehreren Verarbeitungsschritten, bevor die Bauteile schließlich in Gehäuse verpackt werden. Der gesamte Herstellungsprozess ist durchgehend vertikal integriert, wobei Zuverlässigkeits- und Qualitätstests in jedem Schritt nahezu fehlerfreie Produkte gewährleisten (Bild 3).

Eine vertikal integrierte Lieferkette bringt mehrere Vorteile mit sich, zum Beispiel Skalierbarkeit, überlegene Qualität und Kontrolle der Produktionskosten. Onsemi qualifiziert alle seine SiC-Produkte bei 100% Nennspannung und einer Temperatur von 175 °C. Die Bauelemente sind außerdem zu 100 Prozent Avalanche-tauglich, haben eine intrinsische Gate-Oxid-Zuverlässigkeit und werden auf kosmische Strahlung getestet. Darüber hinaus erfolgt eine zusätzliche Qualitätssicherung durch Defekt-Scanning, das vor und nach dem Epitaxie-Wachstum durchgeführt wird. Die vertikale Integration trägt auch dazu bei, dass Fertigungsmengen schnell erhöht und Prozesse optimiert werden können, indem Statusinformationen auf jeder Stufe der Wertschöpfungskette schnell zurückgemeldet werden. Onsemi ist der einzige Großlieferant von SiC und Lösungen mit End-to-End-Lieferfähigkeit.

Fazit: Onsemi unternimmt mehrere Schritte, um unter Entwicklern für Leistungselektronik den Mythos zu zerstreuen, dass SiC im Vergleich zu Silizium eine „neue“ und wenig unterstützte Technik ist. Onsemi entwickelt das Support-Ökosystem für sein breites (und wachsendes) Angebot an diskreten SiC-Bauelementen und -Modulen kontinuierlich weiter, einschließlich Evaluierungsboards, Referenzdesigns, Simulationsmodelle und -tools. Hinzu kommen eine effiziente und gründliche Materialqualitätskontrolle sowie eine zuverlässige, vertikal integrierte Lieferkette. (cg)

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* Didier Balocco ist Business Marketing Engineer, EMEA Power Solution Group bei Onsemi

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