gesponsertSiC-Halbleiter verbessern Leistung SiC-Lösungen erweitern den Bereich der Hochleistungsanwendungen

Siliziumkarbid-Halbleitern können bei höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen arbeiten, ohne Schaden zu nehmen. Was sind die Vorteile und welche Anwendungen sind damit möglich?

Die Nachfrage nach Leistungselektronik-Bauteilen nimmt ständig zu, angetrieben durch Impulse aus Bereichen mit großen Innovationen wie E-Mobilität, erneuerbare Energien und Rechenzentren. Leistungselektronik-Anwendungen stellen heute immer strengere Anforderungen, die vor allem mit einem höheren Wirkungsgrad und damit einer Verringerung der Leistungsverluste sowie mit einer Verringerung von Gewicht und Größe einhergehen.

Herkömmliche MOSFETs und IGBTs auf Siliziumbasis wurden zwar im Laufe der Jahre ständig weiterentwickelt und verbessert, sie stoßen aber an ihre Grenzen bei Leistungsanwendungen, die höhere Schaltfrequenzen, bessere Wärmeableitungsfähigkeit, geringeres Gewicht und kleinere Stellfläche erfordern.

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleiter mit weiter Bandlücke, der die Grenzen der Si-Technologie überwindet: Er kann bei höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen arbeiten, ohne Schaden zu nehmen. Mehr als 10 Jahre nach seiner Markteinführung hat SiC nun die Reife und Zuverlässigkeit erreicht, die einen Einsatz in den kritischsten Leistungsanwendungen wie Kraftfahrzeugen, erneuerbaren Energien, Rechenzentren und in der Luft- und Raumfahrt ermöglichen.

SiC-Lösungen von Microchip

Microchip Technology, ein führender Halbleiteranbieter von intelligenten, vernetzten und sicheren Embedded-Control-Lösungen, bietet auch das branchenweit breiteste und flexibelste Portfolio an SiC-Schottky-Barrier-Dioden (SBDs), MOSFETs und konfigurierbaren digitalen Gate-Treibern als Bare Die, diskrete Bauelemente und Leistungsmodule an. Darüber hinaus passt Microchip auch Leistungsmodule nach den spezifischen Anforderungen der Kundenanwendung an.

SiC-Lösungen von Microchip bieten hohe Leistung, Robustheit und Zuverlässigkeit und helfen Entwicklern, sowohl die Entwicklungskosten als auch die Time-to-Market ihrer Anwendungen zu reduzieren. Zur Robustheit der SiC-MOSFETs trägt ein präzises Design bei, das eine höhere wiederkehrende UIS-Fähigkeit (Unclamped Inductive Switching) gewährleistet. Damit ist kein zusätzlicher Snubber zum Schutz des SiC-MOSFETs vor Überspannung (Avalanche) mehr erforderlich.

Bei einer plötzlichen Unterbrechung des durch eine Induktivität fließenden Stroms induziert das Magnetfeld eine elektromotorische Gegenkraft, die am MOSFET selbst sehr hohe Spannungen erzeugen kann. Daher müssen Leistungsbauteile unbedingt äußerst robust sein, d. h. sie müssen bei UIS-Belastung eine Degradation des SiC-MOSFETs vermeiden können; sonst wären zusätzliche Komponenten zum Schutz des SiC-MOSFETs vor Durchbruch erforderlich.

Zur Erfüllung der Anforderungen von Leistungsanwendungen, die hohe Schaltfrequenzen und Betriebsspannungen nutzen, um den Wirkungsgrad zu steigern und das Gewicht und die Größe der Lösung zu reduzieren (z. B. elektrifiziertes Transportwesen, erneuerbare Energien, Luft- und Raumfahrt sowie Industrieanwendungen), hat Microchip vor kurzem 3,3-kV-SiC-MOSFETs vorgestellt, die den branchenweit niedrigsten RDSon (bis zu 25 mΩ) und SiC-SBDs mit dem höchsten Nennstrom der Branche (90 A) aufweisen.

Auch wenn 3,3-kV-IGBTs heute in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen, sind ihre Schaltgeschwindigkeiten begrenzt, was zu hohen Schaltverlusten und großen System-Abmessungen führt. Mit dem Einsatz von 3,3 kV-SiC-MOSFETs hingegen können Entwickler Verluste, Größe und Gewicht der Lösung reduzieren und die Komplexität von Multi-Level-Systemen auf einfache 2-Level-Designs verringern. Beide Bauelemente sind als Chips oder in Gehäusen erhältlich.

SiC: Vorteile und Anwendungen

Anders als herkömmliche Si-Leistungsbausteine, wie z. B. MOSFETs und IGBTs bieten die SiC-Lösungen von Microchip folgende Vorteile:

• Höhere Sperrschichttemperatur und verbesserte Kühlung, geringerer RDSon und höherer Wirkungsgrad.

• 3-fach bessere Wärmeleitfähigkeit, was eine größere Leistungsdichte und höhere Strombelastbarkeit ermöglicht.

• 2-fach höhere Elektronen-Sättigungsgeschwindigkeit, was schnelleres Schalten und geringere Abmessungen erlaubt. Außerdem ermöglicht die höhere Schaltfrequenz kleinere Magnete, Transformatoren, Filter und passive Bauelemente, was den Platzbedarf der Lösung reduziert.

• Geringere Schaltverluste.

• 10-fach niedrigere Ausfallrate in Bezug auf Neutronenanfälligkeit als vergleichbare IGBTs bei Nennspannung.

• Extrem niedrige parasitäre Induktivität (Streuinduktivität) unter 2,9 nH in SiC-Modulen.

Typische Märkte und Anwendungen für die SiC-Produkte von Microchip sind:

• Transportwesen: Die hohe Robustheit und Betriebsspannung von SiC-Bauelementen ist entscheidend für die Entwicklung effizienter Spannungsumrichter und -Wandler sowie von Schutzvorrichtungen, die in Elektrofahrzeugen (Pkw, Busse, Lkw, Schienenfahrzeuge, Boote, eVTOL und Flugzeuge) und in der Ladeinfrastruktur zum Einsatz kommen.

• Industrie: Hohe Schaltfrequenz, geringe Verluste und hervorragendes Wärmemanagement machen SiC-Bausteine zur idealen Lösung für Anwendungen wie Motorsteuerung, Schaltnetzteile, USV, Schweißen und Induktionsheizungen.

• Erneuerbare Energien: SiC-basierte Wechselrichter lassen sich in Photovoltaik-Anwendungen und Windkraftanlagen einsetzen, um Leistungsverluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

• Medizintechnik: Zuverlässige, robuste und effiziente Stromversorgungen für Diagnosegeräte wie MRTs und Röntgengeräte.

• Luft- und Raumfahrt sowie Wehrtechnik: Dank der Eigenschaften von SiC lassen sich Leistungsgeräte auf der Basis dieses Materials bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen betreiben, ohne Schaden zu nehmen. Das SiC-Produktportfolio von Microchip umfasst die Baseless-Power-Module der Familien BL1, BL2 und BL3, die mehrere Validierungstests gemäß dem RTCA-Standard DO-160G bestanden haben und nun für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt, einschließlich Fracht- und schweren Drohnen, qualifiziert sind.

Tools und Entwicklungskits

Das SiC-Angebot von Microchip wird durch eine große Auswahl an SiC-SPICE-Modellen unterstützt, die mit den MPLAB-Mindi-Analogsimulator-Modulen und Treiberboard-Referenzdesigns kompatibel sind. Darüber hinaus ermöglicht das „intelligente Konfigurationstool“ ICT, die relevanten SiC-Gate-Treiber-Parameter für die konfigurierbaren digitalen Gate-Treiber der AgileSwitch-Reihe von Microchip einzustellen.

Über die ICT-Schnittstelle (Bild) lassen sich verschiedene Gate-Treiber-Parameter konfigurieren, darunter die Gate-Schaltprofile, systemkritische Monitore und Controller-Schnittstelleneinstellungen. Neue Bauteile lassen sich schnell und einfach charakterisieren, indem die Treibereinstellungen im Labor oder im Feld geändert werden, ohne dass Lötarbeiten erforderlich sind. Damit ergibt sich ein Gate-Treiber, der an die Anforderungen der Anwendung angepasst und optimiert ist, ohne dass die Hardware geändert werden muss.

Um die Entwicklungszeit weiter zu verkürzen, enthalten die Entwicklungskits ASDAK (ohne SiC-Modul) und ASDAK+ (mit SiC-Modul) die Hardware- und Softwarekomponenten, um die Leistungsfähigkeit von SiC-Modulen und -Systemen zu optimieren. Damit lassen sich etwa drei bis sechs Monate Entwicklungszeit für neue Designs einsparen.

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