Überirdische Effizienz mit Siliziumkarbid

Steve Norman
Core Marketing Manager
Renesas Electronics Europe

Neben seinem sehr seltenen natürlichen Vorkommen in Meteoriten, sozusagen als Mineralstoff aus dem All – wo es offenbar nicht gar so selten vorkommt –, ist Siliziumkarbid (SiC) besser bekannt als ein in den 1890er-Jahren zufällig von dem amerikanischen Erfinder Edward Goodrich Acheson entdeckter Verbundstoff. Zuvor hatte Acheson das Team der strahlenden Licht-Pioniere um Thomas Edison verlassen, um der Herstellung künstlicher Diamanten nachzugehen. Hierbei entdeckte er einige wenige funkelnde, blaue Kristalle, als er eine Mischung aus Lehm und Koks in einer Eisenschüssel mit einer Kohlenbogenlampe erhitzte. Viele Patente später kam das superharte kristalline Silikon-Kohlenstoff-Gemisch zunächst als Schleifmittel zum Einsatz, zum Beispiel in Produkten wie Schleifpapier oder Schleif- und Schneidwerkzeuge, später in kugelsicheren Westen, Autobremsen, Raketentriebwerken und sogar in LEDs (und das bereits seit dem Jahr 1907 – hätten Sie es gewusst?) ... und in Leistungshalbleitern.

Warum Siliziumkarbid für Leistungshalbleiter? Der Hauptgrund hierfür ist die breite Energiebandlücke des Stoffs: Diese bestimmt, wie viel Energie benötigt wird, damit Elektronen zwischen den Energiebänden auf dem SiC-Material hin- und herspringen und somit Strom transportieren können. Diese breite Bandlücke – im Bereich von drei Elektronenvolt – führt dazu, dass Hitze, Strahlung und ähnliche äußere Faktoren die Leistung des Stoffs nur sehr bedingt beeinträchtigen.

Siliziumkarbid ist daher ein Material, das die Eigenschaften von Silizium im Hinblick auf Betriebstemperatur und mögliche Strahlenbelastung übertrifft; darüber hinaus erzielt es überaus positive Ergebnisse in Sachen Isolation von Durchbruchfeldstärke für Anwendungen bei Hochspannung; hohe Elektronengeschwindigkeit für hohe Frequenzen; und hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch es sich ausgesprochen gut für den Einsatz in strombetriebenen Geräten eignet.

Kurz gesagt: Mehr Effizienz und weniger Verluste bei höheren Temperaturen und kleineren Designs. Warum ist Siliziumkarbid dann nicht überall enthalten? Nun, geben wir ihm noch ein bisschen Zeit – Probleme mit Kristallfehlern erschwerten die Kommerzialisierung in einigen Anwendungsbereichen, werden nun aber mehr und mehr beseitigt; die Fertigungseffizienz steigt und seit einiger Zeit sind Siliziumkarbid-Schottky-Dioden bei Renesas Electronics in Produktion. Für SiC Power MOSFETs und IGBTs mussten bei der SiC- und Siliziumdioxid-Schnittstelle zunächst weitere Herausforderungen gemeistert werden: Derartige Probleme sind im Großen und Ganzen mittlerweile gut erforscht und die Situation verbessert sich von Tag zu Tag. Während die Entwicklung von SiC-MOSFET fortbesteht, sind Renesas Hybrid-Geräte bereits jetzt erhältlich: Bei diesen wird die einfache Handhabung herkömmlicher Silizium-MOSFETs mit herausragenden Verbesserungen in Sachen Ersatzwiderstand kombiniert, was letzten Endes zu wesentlich höherer Effizienz führt. Neben der um rund 26% gesteigerten Effizienz erzielen unsere Hybrid-IGBTs mit einer in das IGBT-Paket eingebetteten SiC-Diode auch im Hinblick auf PCB-Raum Einsparungen von rund 50%, wenn geringere Wärmeverluste und somit kleinere Kühler einbezogen werden.

Neben den Verbesserungen in der Herstellung von Kristallen und der gesteigerten Prozesseffizienz bei einer Reihe von Zulieferern diverser SiC-Komponenten, spielen auch Marktfaktoren eine gewisse Rolle für das stete Wachstum der Siliziumkarbid-Technologie, insbesondere im Hinblick auf deren Effizienz. Die Nachfrage nach effizienterer Leistungsumwandlung ist vor allen Dingen in Anwendungsbereichen wie Klimaanlagen und Solaranlagen enorm, da hierbei die Effizienz von Leistungs- und Wechselrichterschaltungen sowohl seitens des Gesetzgebers, als auch seitens des Kunden gefordert wird.

Vor diesem Hintergrund begann Renesas Electronics mit der Entwicklung von Siliziumkarbid-Schottky-Dioden (SBD) für Vorrichtungen zur Leistungswandlung mit höheren Schaltgeschwindigkeiten und geringerem Spannungsbedarf.
 

Der allererste Vorteil, der beim Blick auf einen SiC-SBD wie dem Renesas RJS6005TDPP heraussticht, liegt in der hohen Schaltgeschwindigkeit und der im Vergleich zu herkömmlichen Produkten um 40% gesenkten Schaltleistungsverlusten.

Wenn eine Diode von ‚an‘ auf ‚aus‘ schaltet, nachdem der entsprechende Durchlassstrom passieren konnte, tritt aufgrund einer geringen Anzahl von Ladungsträgern in der Diode ein gewisser Rückstromfluss auf. Die nach einem solchen Schaltvorgang für die Rückkehr zu der vorgeschrieben Stromstärke benötigte Zeit ist die sogenannte Rückerholzeit.

Bei unserer SiC-SBD beträgt die Rückerholzeit lediglich 15 Nanosekunden und ist somit rund 40% kürzer als bei herkömmlichen Siliziumprodukten. (Bitte beachten Sie, dass dies ein Standardwert ist, gemessen bei IF=15A, di/dt = 300A/us). Die höhere Schaltgeschwindigkeit wiederum führt zu um bis zu 40 bis 60% geringeren Leistungsverlusten als bei Siliziumprodukten. Weitere Vorteile bestehen in einem wesentlich einfacheren EMI-Steuerkreisdesign sowie geringeren Kosten, weniger Leiterplatten-Platzbedarf und einer kürzeren Markteinführungszeit.

Die geringeren Schaltverluste von Siliziumkarbid-Geräten bieten dank der höheren Betriebsfrequenzen die Möglichkeit zusätzlicher Effizienzsteigerungen. Des Weiteren kann die Diode bei geringeren Frequenzen und mit einem IGBT auftretende Wärmeverluste weiter senken und bietet somit die Möglichkeit, die Größe der erforderlichen Kühlkörper zu verringern.

Wir schnitten bereits das Thema '‚Spannungsreduktion‘ an, die im Vergleich zu Siliziumprodukten nicht minder beeindruckend ist. SiC-SBDs, wie die Renesas RJS6005TDPP, verfügen über eine Durchlassspannung von lediglich 1,5 V und liegen damit deutlich unter heute erhältlichen Trigger-Dioden aus Silizium. Überdies ist dieses Leistungsmerkmal nur sehr bedingt temperaturabhängig, sodass eine stabile Durchlassspannung auch bei hohen Temperaturen beibehalten werden kann: Dies wiederum erfordert weniger Maßnahmen zur Wärmedispersion und senkt erneut die Kosten des Gesamtsystems.

Wenn Sie von Ihrem Design also mehr Effizienz und weniger Verluste bei hohen Temperaturen wünschen und zugleich den Umstieg von Silizium- auf Siliziumkarbid-Dioden in Erwägung ziehen, interessieren Sie sich bestimmt für die physikalischen Unterschiede. Nun, Renesas RJS6005TDPP basiert auf einem Package, das dem Industriestandard TO-220 entspricht, mit herkömmlichen Steckern verwendet werden kann und somit herkömmliche Dioden spielend leicht ersetzen kann. Renesas bietet ab sofort ein Line-Up von bis zu 30 A, sowie eine Spannungstoleranz von 600 V; 1200 V folgt in Kürze.

In Abbildung 1 sind diverse Geräte von Renesas aufgeführt.

 

Abbildung 1: Line-Up an Siliziumkarbid-Dioden (RJS60-Reihe)

Und das ist nur der Anfang. Laut MarketsandMarkets beträgt die jährliche Wachstumsrate des Markts für SiC-Halbleitergeräte zwischen 2012 und 2022 rund 38%. Während Siliziumkarbid heutzutage nur in rund 1% aller strombetriebenen Geräte eingesetzt wird, deutet alles auf einen kometenhaften Anstieg hin.

Weitere Informationen über alle derzeit erhältlichen Geräte finden Sie unter: http://www.renesas.eu/products/discrete/diode/ oder in Ihrem Renesas Vertriebsbüro.