Wide-Bandgap-Technologien Marktentwicklung und Chancen zweier Technologien

Siliziumkarbid oder Galliumnitrid – welche der Technologien hat die Nase vorn? Die Massenproduktion der Wide-Bandgap-Halbleiter und weitere Kostenreduzierungen sind essentiell für ihren Breiteneinsatz.

Anbieter zum Thema

Jauch Quartz GmbH

ET System electronic GmbH

ROHM Semiconductor GmbH

Eurocomp Elektronik GmbH

Auf Wide-Bandgap-Halbleiter wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) hat die Leistungselektronik wegen ihrer Vorteile schon lange gewartet. Diese sind verglichen mit Si-Bauteilen u.a. ein geringerer R_DS(on), veringerte Leckströme und reduzierte Schaltverluste. In welchen Applikationen ergeben sich nun die Vor- und Nachteile der beiden Wide-Bandgap-Lager? SiC dominiert noch bis 1200 V und darüber sowie durch die guten Schalteigenschaften bei hohen Frequenzen. Der Preis ist aber immer noch ein Hindernis. Der Umsatz mit SiC-Modulen überholt trotzdem in überschaubarem Zeitraum den der diskreten Bauteile. SiC-Bauelemente werden sich, zu mindest in Nischen, in diversen Hochspannungsindustrieapplikationen etablieren.

GaN-Leistungshalbleiter dagegen werden bei Spannungen bis 900 V dominieren und ihre Preise im Jahr 2019 das Si-Niveau erreicht haben; alle 600-V-SiC-Schottky werden dann durch GaN ersetzt. Außerdem wird sich GaN in Konsum- und Computing/Server-Powerconversion-Applikationen etablieren. Kleinere Schaltnetzteile in Ladegeräten oder PFC-Stufen im untersten Leistungsbereich kommen hier in Frage, Sonderlösungen in Kleinumrichtern <2 kW sind auf Messen schon zu sehen.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Auf GaN-Bauelementen basierenden Umrichter mit Leistungen im Bereich hunderter kW wird man in den nächsten Jahren nicht zu sehen bekommen; doch sind Entwicklungen dieser Größenordnung auf Basis von SiC bereits in der Erprobung. Bild 1 zeigt die Applikationsgebiete für SiC- und GaN-Leistungshalbleiter. Der Distributor Eurocomp in Bad Nauheim deckt mit seinen Linien diese Gebiete ab, liefert seit fast 30 Jahren Si-Leistungshalbleiter und seit deren Marktreife auch die SiC- und GaN-Leistungstypen.

Die Marktentwicklung der konkurrierenden Technologien zeigt Bild 2 und deren technologischen Grenzen das Bild 3. Branchenkenner taxieren den Markt für GaN-Bauelemente in Japan auf umgerechnet 3,5 Mrd. € bzw. weltweit auf 14,2 Mrd. €. Laut der R&D Association for Future Electron Devices kann der Ersatz von konventionellen Si-Leistungshalbleitern durch SiC- und GaN-Halbleiter der nächsten Generation die CO₂-Emission um 70 bis 90% reduzieren.

GaN – vom HF-Einsatz zur Leistungselektronik

RF Micro Devices (bekannt als RFMD) meldet jetzt die Verfügbarkeit von zwei 650-V-SSFETs (Sourced Switched FETs) in seiner rGaN-HV-Technolgie, die im Mai 2012 erstmals publiziert wurde. RFMD befasst sich seit 1995 mit der GaN-Technologie für den Hochfrequenzeinsatz und begann ab dem Jahr 2010 die GaN-Technologie für Leistungsapplikationen zu entwickeln. RFMD ist der größte III-V-Hersteller für HF-Anwendungen und fertigt >25% der weltweiten GaAs-Wafer (Galliumarsenid) für HF-Applikationen und dies mit einer Effizienz vergleichbar zu Si-Wafern.

Die Merkmale der rGaN-HV-Technologie sind eine Betriebsspannung von 650 V, eine Durchbruchspannung von mindestens 899 V, ein On-Widerstand von 6 Ω x mm und eine Leakage von 1 µA/mm. Die angezielten Qualitätsdaten bei 650 V sind Ea > 1,5 eV und eine MTTF > 1 x 10⁷ h bei T_ch = 175 °C.

Die in der rGaN-HV-Technologie gefertigten Leistungshalbleiter sind grundsätzlich laterale GaN-HEMTs. Der Sourced Switched FET (SSFET) ist ein Kaskade-Bauteil bestehend aus dem rGaN-HV-High-Voltage-GaN-lateralem HEMT mit einem zugeschnittenen Low-Voltage-Trench-MOSFET in einem TO247-Gehäuse mit isolierter Basisplatte. Das so entstandene Bauteil hat ein isoliertes Gate und kann von Standard-Gate-Treiberschaltungen oder GDICs (Gate Driver ICs) angesteuert werden. Die SSFETs können in bestehenden Applikationen TO247-Superjunction-MOSFETs ersetzen und haben eine höhere Effizienz.

Ein weiterer großer Vorteil der SSFET ist die integrierte ultraschnelle Freilaufdiodenfunktion, die eine externe separate SiC-Schottkydiode überflüssig macht. Kein anderer Hersteller bietet diesen Vorteil zusammen mit einem sehr niedrigen R_DS(on) von 45 mΩ bei 650 V Durchbruchspannung.

Denkbare Applikationen für 600 bis 650 V sind Stromversorgungen für IT und Telekom, der Ersatz von SJFETs mit einem 10-mal besseren FOM, Leistungsplattformen mit Frequenzen bis 500 kHz, PFC- und DC/DC-Applikationen mit Wirkungsgraden bis 95 oder gar 98%. Außerdem hat die Technologie das Potenzial, Dioden und Mehrfachschalter zu integrieren. Die Anwendungen, die RFMD mit einer künftigen 900- bis 1200-V-Technologie im Fokus hat, sind Solarinverter und USVs, der Ersatz von IGBTs bei gleichzeitig verbesserter Effizienz, Leistungsplattformen bis 50 oder gar 100 kHz. Außerdem will der Hersteller die GaN-Teile günstiger als vergleichbare SiC-Bauteile anbieten. Da die beiden Typen Normally-off-SSFETs sind, genügen sie auch den Sicherheitsanforderungen der Leistungselektronik.

(ID:42607002)