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Halbleiterkomponenten aus Siliziumkarbid

Siliziumkarbid gewinnt weiter an Bedeutung
Für Frequenzumrichter, Motorstarter und Stromversorgungen

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In der Leistungselektronik zeichnet sich ein Trend in Richtung Siliziumkarbid (SiC) ab. Für SiC-MOSFETs sprechen im Vergleich zu Bausteinen auf Basis von Silizium die niedrigen Leitungs- und Schaltverluste sowie die kompaktere Form. Halbleiterkomponenten aus Siliziumkarbid sorgen damit für mehr Effizienz in der Leistungselektronik. Sie unterstützen die Digitalisierung in der Industrie ebenso wie die rasante Entwicklung in der Elektromobilität.

Andreas Gees, stv. Chefredakteur elektro AUTOMATION

Halbleiterbauelemente auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) zeichnen sich durch eine höhere Effizienz als herkömmliche Halbleiter aus. Die Entwicklung neuer Bauelemente-Generationen für die Elektromobilität hat den breiten Einsatz der Technologie auch im Industrieumfeld gefördert. Bei den Elektrofahrzeugen hilft die Technologie dabei, die Batteriekapazitäten zu optimieren und den Energiefluss zu steuern, um so eine möglichst hohe Reichweite zu erreichen. Auch ein schnelleres Laden ist durch SiC-basierte Halbleiter möglich geworden. In Zukunft werden sich die SiC-basierten Komponenten auch in industriellen Anwendungen weiter durchsetzen. Sie zeichnen sich durch eine höhere Schaltgeschwindigkeit, geringere Wärmeverluste und kompaktere Baugröße aus.

Eigenschaften und Anwendungsgebiete

Während Silizium-Leistungsschalter heute den Standard darstellen, bietet SiC jedoch in vielen Applikationen Vorteile. Typische Einsatzbereiche von den weit verbreiteten Silizium-Halbleitern sind IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) und Leistungs-MOSFETs (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Si-Halbleiter eignen sich für Betriebstemperaturen bis etwa 150 °C, Temperaturen darüber führen zum Anstieg des sogenannten Leckstrom, der letztendlich einen fehlerhaften Betrieb des Bauelements verursacht. SiC-Schalter können dagegen aufgrund ihres großen Abstands zwischen Valenz- und Leitungsband in einem Temperaturbereich bis 600 °C stabil betrieben werden. Damit ist SiC auch für Applikationen geeignet, bei denen hohe Temperaturen auftreten.

Aufgrund des charakteristischen Aufbaus sowie der Bandlücke lassen sich SiC-Halbleiter für Leistungselektronik deutlich kompakter herstellen als konventionelle Silizium-Halbleiter. Aufgrund des größeren Bandabstands ist ein SiC-MOSFET gegenüber Silizium in der Lage, eine bis zu zehnmal höhere elektrische Feldstärke zu akzeptieren. Um dieselben Eigenschaften zu bieten, muss ein Silizium-Halbleiter deutlich größere Dimensionen aufweisen. Damit sind mit SiC deutlich höhere Ströme bei geringeren Wärmeverlusten möglich. Ganz konkret liegt der Wärmeverlust um etwa 50 % unter der von konventionellen Silizium-Bausteinen. Auch die maximale Schaltfrequenz ist deutlich höher, sodass mit SiC-Transistoren kompaktere Lösungen möglich sind. SiC zeichnet sich durch eine etwa zehnfach geringere Ausfallwahrscheinlichkeit aus als Silizium. Siliziumkarbid als Leistungshalbleiter ist dreimal besser wärmeleitfähig als Silizium.

Höhere Leistungsdichte

Um die Größe von passiven Bauelementen zu reduzieren, muss mit sehr hohen Schaltfrequenzen gearbeitet werden. Wegen geringerer Kommutierungsinduktivitäten und weniger Schaltverlusten ermöglichen SiC-Halbleiter höhere Schaltfrequenzen als Si-Halbleiterschaltungen. SiC-Halbleiter schalten bis zu sechsmal schneller als Si-Bauelemente. Für Wechselrichter folgt daraus, dass beim Einsatz von SiC aufgrund der höheren Schaltfrequenzen kleiner dimensionierte Filter möglich sind. Bei zunehmender Betriebsfrequenz von Wechselrichtern lassen sich die passiven Filterkomponenten, Induktivitäten und Kapazitäten deutlich kompakter dimensionieren. Das unterstützt den Trend zur Miniaturisierung und ermöglicht eine höhere Leistungsdichte.

Normalerweise sind die Si-MOSFETs für Betriebsspannungen bis zu 900 V verfügbar. Die Nutzung von SiC ermöglicht jedoch Spannungen über 1700 V mit geringem Einschaltwiderstand. SiC-MOSFETs eignen sich deshalb dazu, Si-IGBTs beispielsweise in Wechselrichtern und für die Ansteuerung von Elektromotoren zu ersetzen. Neue Möglichkeiten eröffnen die SiC-Halbleiter auch für die Digitalisierung industrieller Prozesse. So können Prozesse mit hohen Anforderungen an die Schnelligkeit der Leistungselektronik besser unterstützt werden. Auch der Einsatz von 5G in mobilen Lösungen auf der Basis von SiC bietet enormes Potenzial.

Herstellungsverfahren des neuartigen Halbleitermaterials

Grundsätzlich werden alle Halbleiter aus Kristallen hergestellt, deren Fertigungsprozesse aufwendig, komplex und fehleranfällig sind. In der Produktion stellen SiC-Halbleiter dabei deutlich höhere Anforderungen als die konventionellen Halbleiter. Schon seit Jahrzehnten wird an der Herstellung von SiC-Halbleitern sowie der Züchtung von Kristallen geforscht. Entscheidend dabei ist, dass die erforderliche Temperatur deutlich höher liegt als bei der Herstellung normaler Siliziumkristalle. So dauert die Züchtung von Siliziumkarbid-Kristalle im Ofen bei über 2000 °C etwa 2 Wochen, während die Züchtung von Silizium-Kristallen nur etwa 2 Tage beansprucht. Daraus resultierten ein höherer Energieeinsatz und daraus resultierend höhere Fertigungskosten. Die eigentliche Herstellung erfolgt zurzeit auf 150-mm- bzw. 200-mm-Wafern.

SiC-MOSFETs in Frequenzumrichtern und Stromversorgungen

Bei Stromversorgungen lassen sich durch den Einsatz von SiC-Komponenten Volumen und Gewicht um 30 bis 60 % reduzieren. Damit sind Geräte möglich, deren Wirkungsgrad weit über 90 % beträgt. Hinzu kommt die bessere thermische Leitfähigkeit, die sich in einer etwa um den Faktor drei höheren Energiedichte niederschlägt. Wichtige Eigenschaft ist auch, dass sich mit Hilfe SiC-MOSFETs bei vergleichbaren Dimensionen deutlich höhere Sperrspannungen möglich sind.

Bei Spannungen bis zu 600 V lassen sich auch mit Silizium-MOSFETs vertretbare Verlustleistungen realisieren. IGBTs aus Silizium kommen deshalb heute beispielsweise bei Frequenzumrichtern zum Einsatz. Sie lassen sich einfach ansteuern, erreichen akzeptable Sperreigenschaften und verursachen nur geringe Leitungsverluste. Negativ wirken sich jedoch die hohen Schaltverluste aus. Bei SiC-MOSFETS sind dagegen dank der unipolaren MOSFET-Struktur Anwendungen mit hohen Sperrspannungen möglich, bei vergleichbaren Leitungsverlusten wie bei Si-IGBTs. Im Vergleich zu Si-MOSFETs und -IGBTs betragen die Leitungs- und Schaltverluste von SiC-MOSFETs bei 1200 V nur 20 bis 50 %.

www.alfatec.de

www.ceramtec.de

www.infineon.com

www.materials.fraunhofer.de

www.rohm.com

www.semikron.com

www.st.com

www.unitedsic.com


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