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SiC-Komponenten zeichnen sich zudem durch einen niedrigen thermischen Widerstand, ein hervorragendes Schaltverhalten sowie eine hohe Betriebstemperatur aus, welche hauptsächlich durch die thermische Auslegung des Gehäusematerials limitiert wird. Darüber hinaus bleiben die elektrischen Eigenschaften über den gesamten Betriebstemperaturbereich nahezu konstant.

Die hohe zulässige Leistungsdichte von SiC erlaubt eine bessere Chipauslastung und geringere Anforderungen an eine mögliche Kühlung bzw. die Filterelemente. Da sich somit für das Gesamtsystem durch den Wegfall sekundärer Komponenten Einsparungen ergeben, senken SiC-Bauelemente bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit die Kosten.

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Bauelemente auf der Basis von SiC

Zahlreiche Hersteller bieten mittlerweile Bauelemente auf SiC-Basis an. Der Bereich der Schottkydioden und JFETs ist zum heutigen Zeitpunkt am weitesten entwickelt, aber auch MOSFETs befinden sich zunehmend auf dem Markt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Dioden weisen SiC-Schottkydioden deutlich kleinere Schaltverluste und höhere Schaltgeschwindigkeiten aufgrund kleinerer Kapazitäten und fehlender Driftverzögerung auf. Durch ihre hohe Durchbruchspannung von 600 - 1200 V eignen sie sich vor allem für Hochspannungsanwendungen. Mit ihrer niedrigen Sperrverzögerungsladung und einer sehr hohen maximalen Sperrschichttemperatur sind die Dioden hervorragend für hocheffiziente HF-Leistungssysteme geeignet.

Durch die außergewöhnlich hohe Robustheit des Materials zeigen SiC-Dioden bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur nur wenige Schwankungen in ihrer Performance, wodurch höhere Leistungsdichten und Schaltleistungen erzielt werden können. Darüber hinaus erzielt der Einsatz dieser Komponenten eine Reduktion der Anzahl und Größe der benötigten peripheren Komponenten und damit eine Minimierung der BOM-Kosten.

Neben Schottkydioden sind selbstleitende SiC-JFETs von großer Bedeutung. Ihr hoher Wirkungsgrad wird durch die signifikante Verbesserung der Gütezahl (RDS(ON) x Qg) erreicht, welche eine Reduzierung von Schalt- und Leitungsverlusten bewirkt. Die Transistoren weisen zudem niedrige Gate- Treiber-Verluste, ein stabiles temperaturunabhängiges Schaltverhalten sowie verringerte Kühlungsanforderungen auf.

Ferner eignen sie sich aufgrund ihrer Charakteristik hervorragend für Überstromschutzschaltungen. Ein Nachteil ergibt sich jedoch aus der komplizierteren Ansteuerung der selbstleitenden Bauelemente. Da die JFETs bei höheren Schaltgeschwindigkeiten betrieben werden können, reduziert der Einsatz die Anzahl der verwendeten Komponenten, den Platzbedarf und damit die Systemkosten.

Weitere Komponenten wie selbstsperrende JFETs, Kaskodenschaltungen oder ICs sind momentan in der Entwicklung. Da die Nachfrage nach höheren Spannungen weiter zunimmt, werden in Zukunft auch Bauelemente mit bis zu 6,5 kV erhältlich sein. Verglichen mit konventionellen siliziumbasierten Bauelementen bieten SiC-Komponenten einen höheren Wirkungsgrad, höhere Leistungsdichten und eine bessere Funktionssicherheit. Das macht sie zur idealen Lösung für anspruchsvolle Anwendungen mit hohen thermischen Anforderungen unter widrigen Umgebungsbedingungen, wie z. B. Leistungselektronik oder Avionik. Das Einsatzgebiet dieser Bauelemente erstreckt sich über Energieversorgungsanlagen, Solar- und Windkraft-Wechselrichter bis hin zu Hybridfahrzeugen und Schienenverkehr.

Die zahlreichen Vorteile des Halbleitermaterials ergeben signifikante Kosteneinsparungen. Weil sich die passiven Komponenten kleiner dimensionieren lassen, werden die benötigten Kühlkörper kleiner und somit günstiger. Dies führt zu niedrigeren Gesamtkosten und einer neuen Generation hocheffizienter Systeme in der Leistungselektronik. Die Halbleiterindustrie steht nun vor einer neuen Herausforderung – der Entwicklung neuer temperaturstabiler Gehäusematerialien, um die volle Bandbreite der thermischen Grenzen von SiC ausnutzen zu können. Neue Fertigungsprozesse und Technologien werden auch in Zukunft für ein stetiges Wachstum des SiC-Marktes sorgen.

* Milena Erenburg ist Technical Product Marketing Manager bei der setron GmbH

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