Powermodule Kundenspezifische SiC-Module vom Design-In-Distributor

Bei der Wahl des richtigen SiC-Moduls stehen neben dem Gehäuse vor allem das Substrat und die Aufbautechnik im Mittelpunkt. Gemeinsam mit CeramTec und POWERSEM sorgt MEV für kundenoptimierte Produkte.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

ISH Ingenieursozietät GmbH

MEV Elektronik Service GmbH

Drei entscheidende Ziele in der Leistungselektronik sind die Miniaturisierung der Halbleiter bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsdichte und Reduzierung der Verluste. Es gab in der Vergangenheit verschiedene Ansätze, diese Ziele zu erreichen. Ein Ansatz ist die Nutzung unterschiedlicher Materialien. Hier verdrängte Silizium das Germanium relativ schnell.

Jetzt steht die Industrie mit den sogenannten Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern vor einer neuen Revolution. Mit ihrer großen Bandlücke und guten thermischen Eigenschaften eignen sich SiC und GaN ideal für hohe Sperrspannungen, hohe Frequenzen und hohe Temperaturen. Aufgrund der Kostenstruktur (Yield und $/cm²) und der Figure of Merit der GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistor) wird GaN voraussichtlich unterhalb 1200 V sein Einsatzgebiet finden, während SiC ab Sperrspannungen von 1200 V sein Haupteinsatzfeld haben wird.

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Ein weiterer Ansatz sind die verschiedenen Strukturen der Leistungsbauelemente. Mit der Einführung des IGBTs in den 80er Jahren, konnten die Vorteile von Bipolar-Transistor und MOSFET in einem Bauelement kombiniert werden. Der IGBT wird bei niedrigeren Schaltfrequenzen (unter 30 kHz) und bei hohen Sperrspannungen (über 1000 V) eingesetzt, während der MOSFET bei höheren Schaltfrequenzen (ab 20 kHz) und niedrigeren Sperrspannungen (unter 400 V) überlegen ist. In der Schnittmenge, in der sowohl MOSFET als auch IGBT eingesetzt werden könnten, kommt es zum einen auf die Applikation des Anwenders an. Zum anderen sind speziell für diese Bereiche entwickelte FETs wie SJFETs dominant im Markt vertreten.

Mit Einführung von SiC-bzw. GaN-Leistungshalbleitern beginnt die Suche nach der besten Struktur erneut. SiC-MOSFET, -JFET und -BJT sind bereits heute kommerziell verfügbar. Aufgrund der schnellen Adaptierbarkeit zeichnet sich ein Trend in der Branche zum MOSFET ab. CREE und andere große Hersteller setzen auf den Normally-off-MOSFET. Aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit ist für andere Firmen der JFET (meist Normally-on) das bessere Bauelement. Das Problem der Normally-on-Struktur wird sowohl beim GaN-HEMT als auch beim SiC-JFET mit einem in Serie geschalteten Low-Voltage Si MOSFET (Kaskoden-Schaltung) gelöst. Als ein weiterer großer Player auf dem Markt setzt Fairchild mit dem BJT auf die bipolare Struktur.

Obwohl die Nutzung von SiC-Dioden und -Transistoren in einigen Applikationen schon weit fortgeschritten ist, gibt es für alle SiC-Leistungshalbleiter besonders zwei Probleme, die es zu lösen gilt, um den Markt vollständig zu durchdringen: Preis und Gehäuse.

Auf diskreter Bauteilebene ist der Preis pro Bauelement verglichen mit Si-Leistungshalbleitern teurer, da die Produktion momentan auf 4-Zoll-SiC-Wafern begrenzt ist und SiC ein sehr teures Material ist. Mittelfristig wird es aber hier eine deutliche preisliche Verbesserung geben, da die Fläche eines SiC-MOSFETs deutlich kleiner ist als eines Si-IGBT und zum Beispiel CREE bei weiter ansteigender Nachfrage auf 6-Zoll-Wafer umstellen kann.

Mit der Einführung eines 1700 V/1 Ω-SiC-MOSFET (C2M1000170D) kann CREE sogar ein Bauteil anbieten, das preislich mit den Si-MOSFETs mit einer Sperrspannung größer 1200 V mithalten kann; und das bei besserer Performance. Weiterhin hat CREE neben der zweiten Generation des 1200-V/ 80-mΩ-MOSFETs nun auch die zweite Generation (C2M0160120D) des 1200-V/160-mΩ-MOSFETs auf den Markt gebracht. Bei dieser zweiten Generation der SiC-MOSFETs konnten durch reduzierte Chip-Fläche ein deutlich besserer Preis erreicht werden. Außerdem waren durch den erweiterten Eingangsbereich (V_GS = –10 V/ +25 V) und geringere Kapazität ein schnelleres Abschalten sowie eine insgesamt bessere Performance erzielbar. Alle MOSFETs sind ab Lager beim Distributor MEV Elektronik Service verfügbar.

Vergleicht man den Preis des Bauteils bezogen auf die Systemgesamtkosten, dann gibt es in gewissen Applikationen neben einer deutlichen Reduzierung der Schaltverluste auch eine Reduktion der Kosten. Die durch die Eigenschaften der SiC-Technologie bedingten Vorteile wie höhere Schaltgeschwindigkeiten oder extrem niedrigere Verluste können beispielsweise zu Kostenersparnissen im Bereich der Induktivität oder des Kühlkörpers führen.

Abgesehen vom Preis ist eine weitere entscheidende Eigenschaft das Gehäuse oder genauer gesagt die Aufbau- und Verbindungstechnik. Zum einem fordert der Markt die Adaptierung von Standardgehäusen, um den Aufwand und die Kosten eines Design-Ins zu reduzieren. Andererseits sind die verfügbaren Gehäuse für die Anforderungen und Möglichkeiten von SiC und GaN aufgrund unzureichender Wärmeabfuhr nur wenig geeignet.

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