Fortschritte in GaN und SiC für mehr Wirkungsgrad

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Bessere Prozesse, höhere Zuverlässigkeit

Wechselrichter und Frequenzumrichter der 1200-V-Klasse werden derzeit meist mit Silizium-IGBTs bestückt. Diese erzeugen jedoch höhere Verluste, die vom Tailstrom und dem Recovery-Verhalten der externen Diode verursacht werden. Hieraus erwächst laut ROHM ein Bedarf an SiC-Power-MOSFETs, bei denen die Schaltverluste auch bei hohen Frequenzen gering bleiben.

Allerdings traten bei konventionellen SiC-Leistungs-MOSFETs zahlreiche Zuverlässigkeitsprobleme auf, darunter eine Beeinträchtigung durch das Leiten der Body-Diode (z.B. höherer On-Widerstand und größere Flussspannung und Verschlechterung des Widerstands) sowie Ausfälle der Gateoxid-Schicht, was die vollständige Integration verhinderte.

Die Probleme konnte ROHM lösen, indem die Prozesse hinsichtlich der Kristalldefekte und der Bausteinstruktur verbessert wurden. Der auf die Fläche umgerechnete On-Widerstand wurde außerdem gegenüber konventionellen Produkten um rund 30% gesenkt, was ebenfalls zu einer weiteren Miniaturisierung beiträgt. Die Drain-Source-Spannung der fünf neuen Bausteine ist 1200 V, ihre Gate-Source-Spannung liegt bei -6 bis +22 V und die Verlustleistung liegt bei Tc=25 °C zwischen 85 und 165 W.

Die besten Eigenschaften von MOSFET und IGBT kombiniert

Mit einem neuen Hochspannungstransistor-Design sorgt ROHM für eine entscheidende Senkung der Leistungsaufnahme in Netzteilen und PFC-Schaltungen für Server, Industrieausrüstungen und Hausgeräte. Dieses Hybrid-MOS-Design kombiniert die Strukturen von Superjunction-MOSFETs und IGBTs zu einem Produkt, das die hohe Schaltgeschwindigkeit und die Schwachstrom-Eigenschaften von MOSFETs mit der hohen Spannungsfestigkeit von IGBTs verbindet. Das Ergebnis ist laut Hersteller eine entscheidende Energieersparnis über das gesamte Spektrum von niedrigen bis hohen Stromstärken.

Bei Hausgeräten verdeutlicht die APF-Zahl (Annual Performance Factor, Jahresarbeitszahl) die Energieeffizienz. Für einen hocheffizienten Betrieb solcher Geräten müssen die verbauten Netzteile entsprechend verlustarm sein. In solchen Fällen wird ein Superjunction-MOSFET zum schnellen Schalten niedriger Ströme in der PFC-Schaltung genutzt. Für industrielle Ausrüstungen und andere Anwendungsfälle mit hohen Temperaturen und Stromstärken kommen die Superjunction-MOSFETs jedoch nicht in Frage, betont ROHM, sodass hier stattdessen die weniger effizienten IGBTs zum Einsatz kommen. Deshalb setzt ROHM auf die neue Halbleiterstruktur seiner Hybrid-MOS-Bausteine, mit der auch die Wafer-Rückseite kontrollierbar ist. Dadurch wird es möglich, die Eigenschaften der Superjunction-MOSFETs auch bei hohen Strömen und unter dem Einfluss hoher Temperaturen beizubehalten.

Das Resultat ist laut ROHM ein sehr leistungsstarker Betrieb mit hoher Schaltgeschwindigkeit und ausgezeichneten Schwachstrom-Eigenschaften. Das erweitert den zulässigen Betriebsbereich der Bauelemente und vergrößert das Spektrum der in Frage kommenden Komponenten für solche Applikationen. Zudem können Hochleistungsanwendungen, in denen noch IGBTs zum Einsatz kommen, von diesen Vorteilen profitieren, sodass erheblich höhere Energieeinsparungen möglich sind.

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