gesponsertROHM vermarktet IGBTs der 4. Generation Warum der Fokus nicht nur auf SiC, sondern auch auf IGBTs liegt

Gesponsert von

ROHM Semiconductor GmbH

Im Interview mit Yuji Ishimatsu, General Manager der HighVoltage Device Division, erläutert ROHM die Entwicklung der neuen IGBTs. Dank innovativer Technologien wie dünneren Si-Wafern und optimierten Trench-Gates überzeugen sie mit reduzierter Verlustleistung und hoher Kurzschlussfestigkeit. Die neuen IGBTs sind speziell für Anwendungen wie elektrische Fahrzeugkompressoren, Hochspannungsheizungen und Industrieanlagen optimiert. Sie bieten eine kosteneffiziente Lösung und ergänzen ROHMs umfangreiches Angebot an Power-Lösungen.

ROHM ist weithin für SiC-Leistungsbauelemente bekannt. Warum entwickelt und produziert ROHM gleichzeitig IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) – Leistungshalbleiter auf Siliziumbasis?

Ishimatsu: Aus einem einfachen Grund: Es gibt Anwendungen, bei denen SiC-Leistungsbauelemente (SiC-Leistungs-MOSFETs) nicht erforderlich sind. SiC-Leistungs-MOSFETs bieten zwar eine bessere Leistung, sind aber im Allgemeinen teurer als IGBTs. Andererseits bieten IGBTs eine relativ hohe Leistung zu niedrigeren Kosten. Dies sichert den Fortbestand des Marktes für IGBTs. Silizium-Leistungsbauelemente werden nicht überflüssig werden, und SiC-Leistungs-MOSFETs werden nie die einzige Option sein. Vor diesem Hintergrund entwickeln, produzieren und verkaufen wir aktiv IGBTs.

IGBTs sind Leistungsbauelemente, die seit den 1980er Jahren in der Praxis eingesetzt werden. Wann ist ROHM in das IGBT-Geschäft eingestiegen?

Ishimatsu: Die Geschichte unseres Unternehmens mit IGBTs ist relativ jung. Wir begannen mit der Entwicklung von IGBTs im Jahr 2010 (Abb. 2). Die Produktion startete 2012 in unserem Werk in Miyazaki (heute LAPIS Semiconductor Miyazaki Plant) und wurde 2016 auf das Werk in Shiga ausgeweitet. Seitdem haben wir kontinuierlich an der Verbesserung von IGBTs gearbeitet und im November 2024 die Kommerzialisierung unserer IGBTs der vierten Generation angekündigt.

Wie stellen Sie sich die Marktsegmentierung zwischen SiC-Leistungs-MOSFETs und IGBTs vor?

Ishimatsu: Obwohl SiC-Leistungs-MOSFETs nicht günstig sind, steigt ihre Akzeptanz aufgrund ihres außergewöhnlichen Preis-Leistungs-Verhältnisses. Insbesondere Kunden im Bereich der Mobilität setzen sie ein.

Der Einsatz von SiC-Leistungs-MOSFETs in Stromkreisen von Elektrofahrzeugen (EV) wie Wechselrichtern und DC-DC-Wandlern erhöht die Reichweite und reduziert gleichzeitig die Batteriekapazität durch ein geringeres Volumen und eine verbesserte Umwandlungseffizienz. Diese Vorteile sind für Mobilitätsanwendungen von großem Wert. Der zunehmende Einsatz von SiC-Leistungs-MOSFETs in Mobilitätsanwendungen deutet darauf hin, dass Kunden die höheren Kosten aufgrund der Vorteile akzeptieren.

Für welche Anwendungen werden also noch IGBTs benötigt?

Es handelt sich um motorisierte Geräte außerhalb des Mobilitätssektors. Diese Geräte können nicht wesentlich verkleinert werden, selbst wenn SiC-Leistungs-MOSFETs verwendet werden. Zwar ist eine verbesserte Leistungseffizienz zu erwarten, aber die Motoren selbst bestehen nicht aus L (Induktivität) oder C (Kapazität), so dass eine Miniaturisierung nicht möglich ist. Infolgedessen bleiben IGBTs auch für Motoren vorteilhaft.

Vermarktung von IGBTs der 4. Generation

IGBTs der 4. Generation wurden im November 2024 auf den Markt gebracht. Was sind die wichtigsten Merkmale dieser Produkte?

Ishimatsu: Die Leistung von IGBTs wurde durch zwei wesentliche technologische Entwicklungen verbessert: die Ausdünnung von Si-Wafern und die Miniaturisierung der Trench-Gates (Abb. 3). Diese Fortschritte werden mit den IGBTs der 4. Generation weiter vorangetrieben.

Als erste Produkte der Reihe erfüllen die 1200-V-IGBTs der RGA-Serie den Zuverlässigkeitsstandard AEC-Q101 für die Automobilindustrie und eignen sich damit für Anwendungen wie elektrische Fahrzeugkompressoren, Hochspannungsheizungen (PTC) und Wechselrichter für Industrieanlagen. Ein herausragendes Merkmal ist die deutlich reduzierte Verlustleistung. Bei einem 3-Phasen-Wechselrichter beispielsweise kann die Verlustleistung im Vergleich zu herkömmlichen Produkten um ca. 35 % und im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten um 24 % reduziert werden (Abb. 4). Darüber hinaus liegt die Kurzschlussfestigkeit bei branchenführenden 10us. Die RGA-Serie wird auch um 650-V-Modelle erweitert, die bis Ende März 2025 auf den Markt kommen sollen.

Für welche anderen Anwendungen sind die IGBTs der 4. Generation konzipiert?

Ishimatsu: Wir planen, verschiedene Produktserien für unterschiedliche Anwendungen auf den Markt zu bringen (Abb. 5). Konkret handelt es sich dabei um die RGE-Serie mit 650 V für industrielle Wechselrichter und Motorantriebe, die RGH-Serie mit 650 V/1200 V für Kfz-Bordladegeräte, Solarwechselrichter und Verbraucherwechselstrom sowie die RGHL-Serie mit 600 V für Solarwechselrichter, Verbraucherwechselstrom und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Alle diese Produkte sollen im Jahr 2025 auf den Markt kommen.

Einführung mehrerer Serien für unterschiedliche Anwendungen

Was unterscheidet diese IGBT-Produkte der 4. Generation in Bezug auf ihre Eigenschaften?

Ishimatsu: Die erforderlichen Eigenschaften von IGBTs sind je nach Anwendung unterschiedlich (Abb. 6). So hat beispielsweise die Kurzschlussfestigkeit bei elektrischen Kompressoren für Kfz-Wechselstrom einen hohen Stellenwert. Wenn die Kurzschlussfestigkeit zu kurz ist, könnte der IGBT ausfallen, selbst wenn ein Kurzschlussstrom erkannt wird, da der Unterbrechungsvorgang möglicherweise nicht rechtzeitig abgeschlossen wird. Eine längere Kurzschlussfestigkeit ist daher unerlässlich. Konkret ist (obwohl dies von der Auslegung des Stromunterbrechungsschaltkreises abhängt) oft eine Kurzschlussfestigkeit von mindestens 6us erforderlich. In einigen Fällen ist eine Kurzschlussfestigkeit von 8us oder sogar 10us erforderlich.

Umgekehrt ist der Schaltverlust (Schaltfrequenz) bei Anwendungen wie Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, Solarwechselrichtern und Wechselstromversorgungen für Verbraucher wichtig. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz ermöglicht es, die Außenabmessungen von Stromversorgungsschaltungen wie Wechselrichtern zu verringern.

Wie hoch ist die typische Schaltfrequenz für Stromkreise, z. B. für Ladegeräte an Bord?

Ishimatsu: Für Stromversorgungsschaltungen wie Onboard-Ladegeräte liegt die Schaltfrequenz oft bei etwa 70 kHz. Bei Wechselstrom in Autos sind 20 kHz üblich, während 5 kHz typisch für Verbraucher-Wechselstrom sind.

Ist es möglich, gleichzeitig die Schaltfrequenz (Schaltverluste) und die Kurzschlussfestigkeit zu verbessern?

Ishimatsu: Bei IGBTs gibt es einen Kompromiss zwischen drei Schlüsseleigenschaften: Schaltfrequenz (Schaltverlust), Kurzschlussfestigkeit und Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (VCE(sat)). Mit anderen Worten: Die Verbesserung einer Eigenschaft geht oft auf Kosten einer anderen. Um dem entgegenzuwirken, ist es notwendig, diese Eigenschaften entsprechend der jeweiligen Anwendung auszugleichen und zu optimieren. In der Praxis basieren zwar alle IGBT-Serien der 4. Generation auf der gleichen Kerntechnologie, aber die Prozessbedingungen sind fein abgestimmt, um das Gleichgewicht dieser drei Merkmale zu optimieren.

Zusammenarbeit mit Semikron Danfoss bei IGBT-Modulen

ROHM beschäftigt sich auch mit der Entwicklung und Vermarktung von Gate-Treiber-ICs für IGBTs. Bietet dies einen differenzierenden Vorteil für das IGBT-Geschäft?

Ishimatsu: Wir sind davon überzeugt, dass die Entwicklung sowohl von IGBTs als auch von deren Gate-Treiber-ICs erhebliche Vorteile mit sich bringt. Diese Fähigkeit ermöglicht es uns, unseren Anwendern (Kunden) die besten Nutzungsmethoden und maßgeschneiderte Lösungen vorzuschlagen. Obwohl alle IGBTs die gleichen Funktionen haben, unterscheidet sich die optimale Ansteuerungsmethode für jedes Produkt aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften wie der Eingangskapazität. Bei falscher Ansteuerung können Leistungsverlust und Rauschen nicht minimiert werden. Durch das Angebot von Gate-Treiber-ICs können wir optimale Ansteuerungsmethoden unterstützen, mit denen diese Faktoren minimiert werden können.

Die Entwicklung von Gate-Treiber-ICs bietet auch für IPMs (Intelligent Power Modules) erhebliche Vorteile. IPMs integrieren einen IGBT-Chip und einen Gate-Treiber in einem einzigen Gehäuse. Unsere IPMs enthalten speziell für IGBTs optimierte Gate-Treiber, die die Verlustleistung reduzieren und gleichzeitig das Rauschen unterdrücken.

Es gibt jedoch Fälle, in denen Leistungsverluste, Rauschen und Überspannungen durch das Design des Gate-Treibers allein nicht ausreichend minimiert werden können. In solchen Fällen ist es möglich, die Prozessbedingungen der IGBTs genau auf den Gate-Treiber abzustimmen. In der Praxis wurden durch die enge Zusammenarbeit zwischen dem Gate-Treiber- und dem IGBT-Designteam starke Synergien geschaffen.

Was ist ein IGBT-Modul?

Ishimatsu: Ein Modul, in dem mehrere IGBT-Chips in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Sie werden häufig in motorgetriebenen Geräten, Wechselrichtern und Stromversorgungen eingesetzt. Ein 7-in-1-Modul enthält beispielsweise IGBTs für den oberen und unteren Arm eines 3-Phasen-Motors sowie einen IGBT für die Bremsung.

Wir stellen jedoch keine IGBT-Module selbst her. Stattdessen liefern wir IGBTs in Waferform an Modulhersteller, die sie dann als IGBT-Module montieren und verkaufen. ROHM kooperiert seit über 10 Jahren mit Semikron Danfoss. Semikron Danfoss plant, seine MiniSKiiP IGBT-Module mit einer Nennleistung von 10A-150A auf den Markt zu bringen, die unsere RGA-Serie von IGBTs der vierten Generation mit 1200V enthalten.

Wie ist der aktuelle Stand des IGBT-Geschäfts von ROHM? Welche Kern-Anwendungen gibt es auf diesem Gebiet?

Ishimatsu: Derzeit konzentriert sich ROHM auf elektrische Kompressoren für die Kfz-Klimaanlage (Abb. 7). Wir haben eine starke Position auf diesem Markt, vor allem weil wir zu den Ersten gehörten, die die Qualifizierung nach dem diskreten Qualitätsstandard AEC-Q101 für die Automobilindustrie vor unseren Wettbewerbern erhielten.

Zugleich bieten wir verstärkte Unterstützung durch FAEs (Field Application Engineers), um unsere Marktpräsenz auszubauen. So stellen wir beispielsweise Dienstleistungen wie die Analyse der Verlustleistung des IGBT, des Schaltkreises und des Kühlkörpers bereit, um die daraus resultierende Temperaturverteilung zu ermitteln.

Wie schätzen Sie die zukünftige Wachstumsrate für IGBTs ein?

Ishimatsu: Die höchste Wachstumsrate wird für Anwendungen in der Automobilindustrie erwartet, mit einer prognostizierten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von etwa 20 %. Für industrielle Geräte wie Servomotoren und Wechselrichter wird eine CAGR von 5-10 % erwartet. Bei Wechselstromgeräten für Verbraucher ist eine hohe Wachstumsrate jedoch unwahrscheinlich, da die Akzeptanz von Wechselrichtern in China nach Japan fast 100 % erreicht hat. Dies könnte sich natürlich ändern, je nachdem, wie weit die Einführung von Wechselrichtern in Schwellenländern wie Indien fortgeschritten ist, aber es wird wahrscheinlich bei einer bescheidenen CAGR von etwa 1-2% bleiben.

Schrumpft der IGBT-Markt aufgrund der Expansion des SiC-Leistungs-MOSFET-Marktes?

Ishimatsu: Der Einsatz von SiC-Leistungs-MOSFETs wird in Mobilitätsanwendungen zunehmen und den Markt erheblich beeinflussen. Wie bereits erwähnt, werden IGBTs jedoch weiterhin weit verbreitet sein, insbesondere in bestimmten Automobil- und Industrieanwendungen. Daher glauben wir, dass der Markt für IGBTs weiterhin wachsen wird.

Darüber hinaus wird derzeit eine neue „Hybridantriebstechnologie“ entwickelt, die SiC-Leistungs-MOSFETs und IGBTs kombiniert. Normalerweise besteht ein einzelner Ober- oder Unterarmschalter aus mehreren parallel geschalteten Leistungsbauelementen – zum Beispiel 3-4 SiC-Leistungs-MOSFET-Chips. Einige von ihnen können durch IGBTs ersetzt werden, z. B. durch Parallelschaltung von zwei SiC-Leistungs-MOSFETs und zwei IGBTs. SiC-Leistungs-MOSFETs zeichnen sich durch eine extremniedrige Verlustleistung im Niederstrombereich aus, aber bei hohen Strömen wird der Unterschied in der Verlustleistung im Vergleich zu IGBTs kleiner. Dadurch können SiC-Leistungs-MOSFETs den Niederstrombereich handhaben, während IGBTs den Hochstrombereich bewältigen. Das verbessert das Preis-Leistungs-Verhältnis, ohne die Verluste zu erhöhen.

In Zukunft werden wir unsere Produktpalette weiter ausbauen, um solche Anwendungen zu unterstützen, und gleichzeitig neue, leistungsstärkere Produkte entwickeln, indem wir die Gerätearchitektur grundlegend neu gestalten.

gesponsert Ein Blick in die Zukunft: Interview mit Tsuguki Noma

Die Leistungshalbleiter-Strategie von ROHM [SiC im Fokus]

gesponsert Smarte Technologien in der Leistungselektronik

ROHM präsentiert Lösungen, die Leistungsbauelemente und analoge ICs optimal miteinander kombinieren

gesponsert SiC-Leistungsgeräte: Der Schlüssel zum Erfolg im EV-Geschäft

Die Verbesserung der Energieeffizienz erhöht die Leistung und senkt gleichzeitig die Stromkosten

gesponsert Neue Herausforderungen meistern

SiC Leistungshalbleiter für industrielle Anwendungen der Zukunft

(ID:50289651)