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TOOLS & TECHNOLOGIEN 14 DESIGN&ELEKTRONIK 06 2020 Wie sieht denn die wirtschaftliche Seite aus? Lorenz Das ist tatsächlich auch ein wichtiges Thema Ab wann rechnet sich der Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleitern? Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung am Beispiel eines Windkraftumrichters wird Professor Eckel von der Universität Rostock präsentieren Er hat die Modulkosten bei verschiedenen Anteilen von SiC-Mosfets und Silizium-IGBTs mit der Einspeisevergütung und den Verlusten bei der Wandlung ins Verhältnis gesetzt Man muss in derartigen Anlagen verstehen dass es ein enormer Wettbewerbsvorteil ist wenn man die Verlustleistung reduzieren kann In der Voll-SiC-Konfiguration ist die Zone in der ein Betreiber Verluste schreibt relativ groß bei nur einem Drittel SiC ist er fast durchgängig in der Gewinnzone siehe Bild 2 Anm d Red Nicht vergessen darf man dass durch die höhere Schaltfrequenz bei Siliziumkarbid das EMV-Filter einfacher und kleiner ausfällt und damit kostengünstiger Aber in dieser Studie wurde dieser Aspekt nicht berücksichtigt sondern nur die Verluste D&E Ein Thema das immer wieder diskutiert wird ist die Frage Wird sich bei Siliziumkarbid-Mosfets die Planaroder die Trench-Struktur durchsetzen? Wie sehen Sie das? Lorenz Ich denke Trench wird sich durchsetzen Wie viel besser diese Struktur gegenüber Planar ist zeigt auf der Konferenz Fuji Electric wo man ein 3 3-kV-Modul mit verschiedenen Halbleitern und Konfigurationen simulierte aber auch experimentell durch realisierte Bauelemente messtechnisch nachgewiesen hat Ein Modul mit Trench-Mosfets hat etwa 23 Prozent weniger Verluste als eines mit planaren SiC-Mosfets siehe Bild 3 Anm d Red Fuji Electric deckt mit seinen neuen SiC-Trench-Mosfets den gesamten Spannungsbereich von 1200 Vbis 3 3 kV ab und in der Forschung laufen erste Versuche im Spannungsbereich über 6 5 kV Durch ein spezielles Moduldesign konnte man die Streuinduktivitäten unter 5 nH drücken und durch integrierte Kühlung Dünnschleifen der Chips und neue Chipverbindungstechnologien den thermischen Widerstand um 40 Prozent reduzieren Gleichzeitiger stieg die Produktlebensdauer Bezüglich der Verluste im Bauelement streiten sich noch die Experten Wolfspeed beziehungsweise Cree wird dem sicherlich widersprechen und es anders darstellen Sie behaupten sie hätten ein besonderes Design das die Nachteile der planaren Struktur ausgleiche sodass ihre Schalter mit den Trench-Mosfets mindestens mithalten beziehungsweise sogar besser seien D&E Gibt es Neues bei Galliumnitrid? Lorenz Im Moment gibt es kommerziell verfügbar eigentlich nur die laterale HEMT-Struktur Eine Herausforderung Bild 5 Mithilfe moderner Aufbauund Verbindungstechnik konnten japanische Forscher die Lastwechselfähigkeit von SiC-Modulen um mehr als das Hundertfache auf über 320 000 Lastzyklen erhöhen Bild AIST Japan besteht darin den Einschaltwiderstand konstant zu halten In der Fachliteratur heißt dieser Effekt »Dynamic RDS on « Dabei werden Elektronen aus dem zweidimensionalen Elektronengas von sogenannten Traps weggefangen sodass sie nicht mehr für den Stromtransport zur Verfügung stehen Die Frage dabei ist ob das mittlerweile gelöst ist » Die additive Fertigung wird uns dabei helfen geistiges Eigentum zu schützen « Um dem auf den Grund zu gehen hat Professor Dieckerhoff von der TU Berlin den Einschaltwiderstand exemplarisch bei einem GaN-Transistor von Panasonic nachgemessen Dabei unterschied sie zwei Fälle hartes Schalten wenn Strom und Spannung nicht Null sind und weiches Schalten wenn Strom und Spannung also Null sind Dabei ergab sich dass bei weichem Schalten der Einschaltwiderstand konstant bleibt Bei hartem Schalten jedoch stieg der Einschaltwiderstand deutlich an und das auch noch abhängig von der Höhe der Drain-Source-Spannung siehe Bild 4 Anm d Red D&E Dabei behaupten doch die Hersteller diesen Effekt im Griff zu haben! Lorenz Manchmal wird bei Vorträgen tatsächlich aufgezeigt dass diese Probwww designelektronik de