Die innovativen Entwicklungen in der Leistungselektronik gehören zu den zukünftigen Schlüsseltechnologien zur Steigerung der Systemeffizienz sowie der Leistungsfähigkeit in Automobil- und Energiesparanwendungen. Silizium ist seit Jahrzehnten das wichtigste Material für elektronische Schalter. Fortschrittliche Herstellungsprozesse und ausgeklügelte Elektronikbauelemente haben die Leistung elektronischer Siliziumbauelemente fast bis an ihre theoretischen Grenzen optimiert. Um die Systemleistung zu steigern, müssen daher neue Materialien erforscht werden, die physikalische und chemische Eigenschaften jenseits von Silizium aufweisen. Eine Reihe von Halbleitern mit großer Bandlücke wie Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Galliumoxid und Diamant weisen herausragende Eigenschaften auf, die den Weg zu neuen Leistungsniveaus ebnen können.
ELE Times-Korrespondentin Sheeba Chauhan hatte ein exklusives Interview mit Stefan Obersriebnig, Product Line Head High Spannung Umwandlung von Infineons Power & Sensor System Division, und Steve Roberts, Innovationsmanager von RECOM Power. Diese Interaktion betrifft hauptsächlich die Leistungselektronik in Halbleiter und einige wichtige Technologien voraus.
Die neue Smart Power-Initiative auf Basis von GaN Technologie
Stefan Obsersriebnig, Leiter der Produktlinie von Infineon, sagte, dass GaN die technologische Möglichkeit bietet, Hochspannungs-Leistungskomponenten wie selbstsperrende HEMTs und Niederspannungs-Peripheriegeräte wie Gate-Treiber, Pegelverschiebung, Strom- und Spannungserfassungsschaltungen in einem zu integrieren sterben mit dem gleichen Herstellungsverfahren. Auf diese Weise können hochintegrierte Geräte erstellt werden, die alle erforderlichen Schaltungen in einem einzigen Gehäuse für höchste Leistungsdichte und Benutzerfreundlichkeit mit „Digital In, Power Out“-Verhalten bieten.
Während Steve Roberts, Innovationsmanager von RECOM Power, antwortete, kann Smart Power auf Wege verweisen, mit denen vorhandene Ressourcen geschickt verwaltet werden können, um Energiearmut vor allem in ländlichen Gebieten zu vermeiden. Der Begriff wird auch verwendet, um die Verwaltung der Stromverteilung in Großstädten und großen Fabriken zu beschreiben, um Netzunterbrechungen und Überlastungen zu vermeiden. In jedem Fall erfordert der Ausgleich begrenzter Energieressourcen eine effiziente Energieverlagerung. Die GaN-Technologie ist für dieses Konzept von entscheidender Bedeutung, da sie die Herstellung von Netzteilen mit Wirkungsgraden von nahezu 99 % ermöglicht.
SiC- und GaN-Technologien fördern Innovation und Effizienz in der Leistungselektronik von morgen
Stefan Obsersriebnig antwortete, dass SiC und GaN Wide-Bandgap-Halbleiter sind, die höhere elektrische Felder in den Bauelementen und damit dünnere Schichten mit höherer Dotierung zum Sperren der Spannung ermöglichen. Dies verringert die erforderliche Fläche für einen gegebenen Einschaltwiderstand, was die parasitären Kapazitäten verringert. Als Ergebnis können SiC und insbesondere GaN mit viel höheren Schaltfrequenzen arbeiten als ihre Si-Gegenstücke. Dies führt zu kleineren passiven Komponenten und höheren Leistungsdichten der Leistungselektronik. Da in SiC und GaN außerdem keine Minoritätsträger in der Leitungsphase beteiligt sind, können diese Bauelemente auch hart geschaltet werden. Dadurch werden neue Regelschemata möglich, die beispielsweise eine Mischung aus Hard- und Soft-Switching über die Last- und/oder Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche verwenden. Dies bietet Entwicklern von leistungselektronischen Systemen neue Freiheitsgrade und höhere Wirkungsgrade durch die Wahl des optimalen Modulationsschemas für jeden Betriebspunkt.
Um einen GaN-HEMT einzuschalten (zu verstärken), muss der Verarmungsbereich durch Anlegen einer kleinen Spannung an das Gate „aufgehoben“ werden, wodurch die Verbindung zwischen Source und Drain freigegeben wird. Dies geschieht SEHR schnell, wodurch Schaltgeschwindigkeiten von 100 kHz bis in den MHz-Bereich leicht realisierbar sind.
Für Militär- oder Raumfahrtanwendungen ist die inhärente RadHard-Widerstandsfähigkeit des lateralen GaN gegenüber der vertikalen Si/SiC-Konstruktion ebenfalls ein wichtiger Pull-Faktor.
SiC-Transistoren ähneln herkömmlichen Si-Mosfets, aber verwenden Sie ein Siliziumkarbid anstelle eines Siliziumsubstrats. SiC hat eine viel höhere Durchbruchspannung, so dass die einzelnen Schichten dünner gemacht werden können, was die Schaltkapazität verringert und die Strombelastbarkeit erhöht. Somit SiC-MOSFET schaltet schneller und mit höherer Leistungsdichte als ein gleichwertiges Si-MOSFET Transistor.
Wie formen Halbleiter mit großer Bandlücke die Zukunft der Leistungselektronik?
Stefan Obsersriebnig antwortete, dass Halbleiter mit großer Bandlücke es ermöglichen, die Leistungsgrenzen bestehender Si-Systeme zu durchbrechen. Effizienz und Leistungsdichte werden auf ein neues Niveau gehoben, und auch neue Anwendungen werden ermöglicht. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Elektrifizierung und Dekarbonisierung unseres Lebens, da bei den Umwandlungsprozessen nicht nur weniger Energie verschwendet wird, sondern auch höhere Leistungen auf weniger Raum verarbeitet werden können. Unterm Strich wird die Zukunft der Leistungselektronik stark von Halbleitern mit großer Bandlücke geprägt, da sie neue Forschungsvektoren für fortschrittliche Topologien, Modulations- und Steuerungsschemata, Integrationskonzepte, Filtermethoden und mehr eröffnen.
Halbleiter Lösungen von Infineon unterstützen einen stabilen und effizienten Fluss mit reduzierten Verlusten und maximieren so die Effizienz entlang der Energiekette, und das alles bei hohen Qualitätsstandards für höchste Zuverlässigkeit und verbesserte Nachhaltigkeit.
Die neuesten Stromversorgungslösungen für Industrie- und Automobilanwendungen
Stefan Obsersriebnig antwortete, dass Infineon im industriellen Bereich kürzlich neue Siliziumgenerationen auf den Markt gebracht habe, z IGBT7 oder CoolMOS 7. Neue Gehäuseplattformen wie EASY 3B wurden hinzugefügt und erweitern den Anwendungsbereich für in Leistungsplatinen eingebettete, grundplattenlose Module. Darüber hinaus wurden Leistungspakete wie QDPAK auf den Markt gebracht, um den Trend der Oberseitenkühlung zu prägen. Neben unserem Si-Angebot wächst die große Bandlücke erheblich. Beispielsweise werden intelligente Kombinationen aus Silizium- und Siliziumkarbid-Chips auf den Markt gebracht, die dem Kunden eine Lösung mit optimaler Cot-Performance bieten, z. B. in der ANPC-Topologie. Darüber hinaus hat Infineon eine breite Palette diskreter CoolSiC 650 V-Geräte auf den Markt gebracht. Darüber hinaus richtet sich ein überzeugendes CoolGaN 600 V-Produktportfolio an Anwendungen und Kunden, die eine überlegene Effizienz, insbesondere in Kombination mit ultimativer Leistungsdichte, fordern.
Auch WBG in Automotive-Anwendungen steht im Fokus von Infineon. Auf der diesjährigen virtuellen PCIM-Messe hat Infineon außerdem das neue HybridPACK Drive CoolSiC vorgestellt, eine Vollbrücke Modulen mit 1200 V Sperrspannung optimiert für Traktionsumrichter in Elektrofahrzeugen. Das Leistungsmodul basiert auf der Automotive-CoolSiC-Trench-MOSFET-Technologie für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte und hoher Leistung. Dies bietet höhere Effizienz bei Wechselrichtern mit größerer Reichweite und geringeren Batteriekosten, insbesondere für Fahrzeuge mit 800-V-Batteriesystemen und größerer Batteriekapazität. Darüber hinaus ermöglichen unsere Leistungshalbleiterlösungen und intelligenten Steuerungs-ICs eine Multi-Target-Optimierung für Systemkostenreduzierung, erhöhte Leistungsdichte, höhere Anwendungseffizienz und modulare Systeme – zur Unterstützung Ihrer bevorzugten Topologie. Halbleiter, insbesondere die von Infineon, können eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Energieeffizienz in allen Phasen der Energieversorgungskette spielen, insbesondere in einem elektrifizierten Fahrzeug.
Durch Minimierung von Leistungsverlusten und Maximierung der Energieeinsparungen erhöhen sie die Gesamtleistung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Unsere breiten Schlüsseltechnologien, einschließlich Si-basierter IGBT- und SJ-MOSFETs, adressieren das Kosten-Leistungs-Segment, in dem WBG-Lösungen auf Basis von SiC heute und GaN in Zukunft eine Hochleistungsoptimierung auf Kundenseite ermöglichen.
Steve Roberts sagte, dass die GaN-Technologie längerfristig auch eine massive Reduzierung der Abmessungen der AC-Stromversorgung bieten wird. Leistungsdichten von 40W/in² werden bereits entwickelt, doppelt oder dreimal so hoch wie die Leistungsdichten herkömmlicher Si-basierter Technologien. Damit können Industrie- und Medizinkunden eine neue Generation von AC/DC-Netzteilen erwarten, die bei minimaler Wärmeentwicklung in deutlich kleinere Gehäuse passen. Da sich GaN besonders für EMI-arme, hocheffiziente Resonanz- oder Active-Clamp-Flyback-Topologien eignet, werden viele sperrige Netzteile durch schlanke neue Designs ersetzt, was bedeutet, dass zukünftige Produkte mehr auf die Benutzeroberfläche als auf die sperriges Netzteil.
Zum Beispiel bieten die GaN-fähigen AC/DC-Produkte der nächsten Generation von RECOM ein 60-W-AC/DC-Netzteil mit einer Grundfläche von 3" x 1.6" anstelle des Industriestandards 4" x 2", eine Reduzierung um 40 %. Größe bei gleicher Leistung.
Die neuesten innovativen SiC- und GaN-Stromversorgungslösungen, die Industrie- und Automobilsysteme intelligenter und umweltfreundlicher machen
Stefan Obsersriebnig antwortete, dass es die Mission von Infineon ist, das Leben einfacher, sicherer und grüner zu machen. Unsere Produkte werden entwickelt, um eine nachhaltigere Zukunft zu unterstützen. Wir haben neue diskrete SMD-basierte Produkte hinzugefügt, die überragende Die-Attach- und Temperaturwechselstabilität bieten. Neue Module auf AlN-Basis kommen mit SiC auf den Markt. 650V-Geräte ergänzen jetzt das CoolMOS-Angebot. Das weltweit erste 1200-V-SiC-IPM wurde ebenfalls auf den Markt gebracht. Die Automobilwelt entwickelt sich in einem noch nie dagewesenen Tempo.
Bei Infineon blicken wir auf 40 Jahre Erfolg und ausgewiesene Expertise in der Lieferung hochwertiger Halbleiter für leistungselektronische Systeme für die Automobilindustrie zurück. Eine der Grundüberzeugungen ist es, Autos umweltfreundlicher zu machen. Daher investiert Infineon kontinuierlich in Technologien, um den Übergang zu elektrifizierten Fahrzeugen schneller und effizienter zu gestalten. Infineon WBG-basierte Lösungen ermöglichen eine Reduzierung der Systemgröße um bis zu 80 % dank höherer Leistungsdichte, geringerem Kühlaufwand und einer geringeren Anzahl passiver Komponenten. Unsere Kunden können die Leistungsdichte und die Leistungsumwandlungseffizienz erhöhen. Beide Optimierungsrichtungen sind der Schlüssel, insbesondere in einem elektrifizierten Fahrzeugsegment, in dem eine höhere Effizienz die Reichweite erhöhen kann und die Leistungsdichte das Design vereinfacht und den Einbau von Batterien mit höherer Kapazität in derselben Karosserie ermöglicht.
SiC-basierte Leistungselektronik für xEV-Hauptwechselrichter und Ladeelektronik (OBC + HV DC-DC-Wandler) nimmt Fahrt auf; Dies gilt insbesondere für die Segmentierung von Premium-Automobilen heute und für die Volumenklasse Automotive von morgen. Um grüne Leistungselektronik zu ermöglichen, investiert Infineon in ein breites Produktportfolio von SiC-Angeboten – 750 V und 1200 V SiC-basierte Lösungen. Im Automotive-Bereich wurde das Portfolio um weitere MOSFET-basierte Produkte und Hybridlösungen erweitert. GaN könnte ein potenzieller Nachfolger von SiC sein, um in Zukunft eine noch höhere Leistungsdichte zu ermöglichen. Daher wird Infineon auch GaN-basierte Lösungen für den Automobilbereich entwickeln.
Steve Roberts antwortete verblüffend, dass sowohl SiC- als auch GaN-Transistoren schneller, sauberer schalten und insgesamt eine bessere thermische Leistung aufweisen als IGBT (SiC aufgrund seiner Chemie – Siliziumkarbid hat eine etwa 3.5-mal bessere Wärmeleitfähigkeit als Silizium, und GaN aufgrund seiner sehr geringen Verluste und effizienten SMD Packaging), aber für viele Anwendungen bieten Super-Junction-MOSFETs und IGBTs immer noch eine akzeptable Leistung zu einem viel niedrigeren Preis. Für viele preissensible Industrieanwendungen haben siliziumbasierte Technologien also immer noch die Nase vorn gegenüber der neuen Chemie; zumindest vorerst.
Da sich WBG-Transistoren noch in der frühen Entwicklung befinden, bietet die ausgereiftere IGBT-Technologie darüber hinaus höhere Schaltspannungen und -ströme als ihre jüngeren Konkurrenten:
Es gibt jedoch mehrere Schlüsselanwendungen, bei denen die Leistungsvorteile von WBG entscheidend sind: Elektrofahrzeuge (EVs) benötigen eine höhere Effizienz (höhere Schaltfrequenz) und eine bessere thermische Leistung (geringere Schaltverluste) als sie derzeit von siliziumbasierten Technologien verfügbar ist.
Der Gesamtwirkungsgrad eines Plug-in-EV liegt derzeit bei ca. 60 % (Umwandlung von Netzstrom in Bewegungsenergie des Fahrzeugs). WBG bietet die Aussicht, die Leistungssteuerung und den Batterieladewirkungsgrad zu verbessern, sodass der Gesamtwirkungsgrad auf 72 % steigt. Dies entspricht einer effektiven Reichweitensteigerung von mehr als 20 %, ohne die bestehende Batterietechnologie zu verändern. Diese Aussicht auf großvolumige EV-Anwendungen ist für SiC- und GaN-Technologien sehr attraktiv.
Es gibt jedoch mehrere Schlüsselanwendungen, bei denen die Leistungsvorteile von WBG entscheidend sind: Elektrofahrzeuge (EVs) benötigen eine höhere Effizienz (höhere Schaltfrequenz) und eine bessere thermische Leistung (geringere Schaltverluste) als sie derzeit von siliziumbasierten Technologien verfügbar ist.
Beitragender Autor:
Sheeba Chauhan
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