Siliziumkarbid-Transistoren werden zunehmend in hoch-Spannung Leistungswandler, da sie die strengen Anforderungen hinsichtlich Größe, Gewicht und/oder Effizienz dieser Anwendungen erfüllen können. Aber warum ist das so? Technologie so faszinierend für Ingenieure? Der Blog wird einige Einblicke geben.
Die hervorragenden Materialeigenschaften von Siliziumkarbid (SiC) ermöglichen das Design von schnell schaltenden unipolaren Bauelementen anstelle von Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) schaltet. Damit sind Lösungen, die in der Niederspannungswelt bisher nur bei Spannungen von 600 V und darunter realisierbar waren, nun auch bei höheren Spannungen möglich. Die Ergebnisse sind eine höhere Effizienz, höhere Schaltfrequenzen, eine geringere Wärmeableitung und Platzeinsparungen – Vorteile, die wiederum auch die Gesamtsystemkosten senken.
Infineon Technologies hat dieses Potenzial vor fast 30 Jahren erkannt und 1992 ein Expertenteam gegründet, um SiC-Dioden und -Transistoren für industrielle Hochleistungsanwendungen zu entwickeln. Hier ist eine kurze und unvollständige Liste der seitdem erreichten Meilensteine:
- Die weltweit erste Einführung von SiC-basierten Schottky-Dioden im Jahr 2001
- Die ersten Leistungsmodule mit SiC-Bausteinen im Jahr 2006
- Die Veröffentlichung der aktuellen fünften Generation von SiC-Dioden
- Die vollständige Umstellung auf die 150-mm-Wafer-Technologie in der Villacher Innovation Factory im Zusammenhang mit der Premiere des innovativen Trench CoolSiC™ MOSFET im Jahr 2017 angegeben
Metalloxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren (Mosfets) wurden allgemein als das Konzept der Wahl akzeptiert, wenn es um zuverlässige SiC-Bauelemente geht. Anfangs, Sperrschichtfeldeffekt Transistor (JFET)-Strukturen schienen die ultimative Lösung zu sein, um Leistung und Zuverlässigkeit in einem SiC-Transistor zu vereinen. Mit der inzwischen etablierten 150-mm-Wafer-Technologie sind jedoch grabenbasierte SiC-MOSFETs realisierbar. Auf diese Weise konnte das Dilemma von doppelt diffundierten Metall-Oxid-Halbleiter-(DMOS)-Strukturen entweder mit Leistung oder hoher Zuverlässigkeit gelöst werden.
Leistungsbauelemente mit großer Bandlücke – wie SiC-Dioden und -Transistoren oder Galliumnitrid-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (GaN-HEMTs) – sind heutzutage gängige Elemente in der Bibliothek von Leistungselektronik-Designern. Aber warum? Was ist so faszinierend an Siliziumkarbid im Gegensatz zu herkömmlichem Silizium? Was macht SiC-Komponenten für Konstrukteure so attraktiv, dass sie sie trotz ihrer höheren Kosten im Vergleich zu Silizium-Hochspannungsgeräten so häufig in ihren Designs verwenden? Schauen wir uns einige Gründe an.
Geringe Verluste und ein hohes Breakdown-Feld sind der Schlüssel
In Energieumwandlungssystemen bemühen sich Konstrukteure ständig, Energieverluste während der Umwandlung zu reduzieren. Moderne Systeme basieren auf Technologien, bei denen Festkörpertransistoren in Kombination mit passiven Elementen ein- und ausgeschaltet werden. Für die Verluste in Bezug auf die verwendeten Transistoren sind mehrere Aspekte relevant.
- Erstens müssen Konstrukteure Verluste in der Leitungsphase berücksichtigen. Bei MOSFETs werden diese durch einen klassischen Widerstand definiert. In IGBTs ist es ein fester Determinator für den Leitungsverlust in Form einer Kniespannung (Vce_sat) und zusätzlich ein Differenzwiderstand der Ausgangskennlinie. Die Verluste in der Sperrphase können meist vernachlässigt werden.
- Zweitens sollten Konstrukteure bedenken, dass es beim Umschalten immer eine Übergangsphase zwischen dem EIN- und AUS-Zustand gibt (Figure 1). Die damit verbundenen Verluste werden hauptsächlich durch die Gerätekapazitäten definiert. In IGBTs sind aufgrund der Minoritätsträgerdynamik (Einschaltspitze, Schwanzstrom) weitere Beiträge vorhanden.
Basierend auf diesen Überlegungen würden Sie erwarten, dass das Gerät der Wahl immer ein ist MOSFET. Insbesondere bei hohen Spannungen wird der Widerstand von Silizium-MOSFETs jedoch so hoch, dass die Gesamtverlustbilanz schlechter ist als die von IGBTs, da diese Ladungsmodulation durch Minoritätsträger nutzen können, um den Widerstand im Leitungsmodus zu senken.
Figure 1: Die Abbildung zeigt einen grafischen Vergleich des Schaltvorgangs und des statischen IV-Verhaltens. (Quelle: Infineon Technologies)
Die Situation ändert sich, wenn Halbleiter mit großer Bandlücke betrachtet werden. Figure 2 fasst die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von SiC und GaN im Vergleich zu Silizium zusammen. Die direkte Korrelation zwischen der Bandlücke und dem kritischen elektrischen Feld von a Halbleiter ist wichtig. Bei SiC ist sie etwa zehnmal höher als bei Silizium.
Figure 2: Das Bild hebt die kritischen physikalischen Eigenschaften von SiC und GaN gegenüber Silizium hervor. (Quelle: Infineon Technologies)
Mit diesem Merkmal unterscheidet sich das Design von Hochspannungskomponenten. Figure 3 zeigt die Auswirkung am Beispiel eines 5kV-Halbleiterbauelements. Im Fall von Silizium sind Halbleiterdesigner aufgrund des moderaten internen Durchbruchfelds gezwungen, eine relativ dicke aktive Zone zu verwenden. Außerdem können nur wenige Dotierstoffe in den aktiven Bereich eingebaut werden, was zu einem hohen Serienwiderstand führt (wie in angegeben). Figure 1).
Figure 3: SiC ermöglicht dünnere aktive Halbleiterzonen. (Quelle: Infineon Technologies)
Mit einem 10-fach höheren Durchbruchfeld in SiC kann die aktive Zone viel dünner gemacht werden. Gleichzeitig können viel mehr freie Träger eingebaut werden und somit eine wesentlich höhere Leitfähigkeit erreicht werden. Man kann sagen, dass sich bei Siliziumkarbid der Übergang zwischen schnell schaltenden unipolaren Bauelementen wie MOSFETs oder Schottky-Dioden und den langsameren bipolaren Strukturen wie IGBTs und pn-Dioden mittlerweile zu viel höheren Sperrspannungen verschoben hat (Figure 4).
Figure 4: SiC bietet höhere Sperrspannungen als herkömmliches Silizium. (Quelle: Infineon Technologies)
Oder umgekehrt: Was mit Silizium im Niederspannungsbereich um 50V möglich war, ist mit SiC für 1200V-Geräte machbar.
Fazit
Fortschritte in der WBG-Technologie und Silizium Die hervorragenden Materialeigenschaften von Carbid ermöglichen es diesen Geräten, mit schnellerem Schalten, geringen Schaltverlusten und einer dünneren aktiven Zone zu arbeiten, was zu Designs mit erhöhter Effizienz, höheren Schaltfrequenzen und besseren Platzeinsparungen führt. Infolgedessen werden SiC-MOSFETs zur bevorzugten Option gegenüber herkömmlichem Silizium für Leistungsumwandlungsanwendungen.
Für weitere Informationen besuchen Sie: mouser.com
ELE-Zeiten
-
ELE-Zeitenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsNeues Design-Kit öffnet Tür zur nächsten Chip-Generation
-
ELE-Zeitenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsLadestationen können Wasserstofferzeugung und Energiespeicherung kombinieren
-
ELE-Zeitenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInfineon unterstützt Ökosystementwicklung in grüner Landwirtschaft
-
ELE-Zeitenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsNeueste faltbare Samsung Galaxy Z-Geräte, jetzt erhältlich