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6 Trend Guide Leistungselektronik 2020 www markttechnik de Fokus für 48-V-Mildhybrid-Fahrzeuge Solar-Wechselrichter Adapter drahtlose Ladegeräte und Telekom-DC DC-Wandler SiC-MOSFETs STs heutige fortschrittliche STPower-SiCMOSFET-Produktreihe ist das Ergebnis langfristiger Investitionen in Innovation und Entwicklung die bis Mitte der 1990er-Jahre zurückreichen sowie der fruchtbaren Zusammenarbeit mit renommierten Forschungsinstituten wie dem CNR Durch die richtige Einschätzung der Fähigkeiten des Siliziumkarbids über die Jahre hinweg hat das Unternehmen eine Führungsposition als Weltlieferant in diesem Produktbereich erlangt So haben sich auch die frühen Bemühungen die Technologie durch umfangreiche Tests an die strengen Anforderungen der Automobilindustrie anzupassen als erfolgreich erwiesen und es dem Unternehmen ermöglicht planare SiC-MOSFETs für die Hauptbausteine Hauptinverter DC-DC-Wandler und OBC in Serie an die Elektroautoindustrie zu liefern ST-PowerSiC-MOSFETs eignen sich auch für die Versorgung von Ladestationen dem Rückgrat einer globalen Infrastruktur Um die großflächige Einführung von Siliziumkarbid voranzutreiben und der im Entstehen begriffenen EV-Industrie zu dienen investiert ST in Produktionskapazität und vertikale Integration Dazu gehören nicht nur die Übernahme des Substratherstellers Norstel AB sondern auch langfristige Lieferverträge welche die Beschaffung von SiC-Substraten von wichtigen Herstellern sichern sowie eine rasche Kapazitätserhöhung in den eigenen Anlagen All dies hat ST zum führenden Anbieter von SiC gemacht der die Industrie bei der Migration von Silizium in verschiedenen Anwendungsbereichen unterstützt Aber wie viel gewinnt man wenn man einen SiC-MOSFET anstelle eines IGBT in einem EVWechselrichter verwendet? Eine Simulation kann helfen die Vorteile einer SiC-MOSFETAnwendung im Vergleich zu einem SiliziumIGBT plus Freilaufdioden zu quantifizieren indem man die gesamte Chipfläche und die Verluste für einen 210-kW-Inverter vergleicht der bei 10 kHz läuft und an einem 800-V-Bus betrieben wird was einen 1200-V-Schalter erfordern würde Abhängig von der Last variiert der Wirkungsgradgewinn zwischen 3 und 8 Prozent Noch beeindruckender ist dass dieser bessere Wirkungsgrad bei fünfmal kleinerer Chipfläche ohne Erhöhung der Sperrschichttemperatur erreicht wird Dadurch lässt sich das Gesamtsystem bestehend aus den in einem Modul untergebrachten Halbleitern dem Kühlsystem und den passiven Komponenten um 50 Prozent verkleinern Im Fall des Kühlsystems selbst einem teuren Untersystem ist eine Reduzierung des Systems um 60 Prozent erreichbar All dies läuft darauf hinaus dass sich die Gesamtlaufleistung bis zum nächsten Aufladen um etwa 10 Prozent erhöhen lässt STs Power-SiC-MOSFET-Roadmap die auf der firmeneigenen Planartechnologie basiert richtet sich sowohl an den Automobilals auch an den Industriemarkt Sie ermöglicht eine sehr hohe Leistung sowohl in Zustandsals auch in Schaltstufen RDSon EON EOFF Während die bestehenden Generationen 1 und 2 für den industriellen Einsatz vorgesehen sind und Hochspannungsfähigkeiten 1700 Vfür Generation 1 bis zu 1200 Vfür Generation 2 bieten wird ST im nächsten Jahr die Generation 3 für den Einsatz im Automobilbereich einführen Ab dem Jahr 20222 wird Gen3 dann auch im Industriebereich zum Einsatz kommen können Dort bringt sie eine weitere Verbesserung der Figure of Merrit im Hinblick auf Gen1 und Gen2 die in den letzten zwei Jahren in großen Stückzahlen produziert wurden Gen3 zeichnet sich zwar durch die übliche Robustheit des Gate-Oxids und die Stabilität der Body-Diode aus weist aber einige Merkmale auf die ihn für zahlreiche Plattformen geeignet machen die von einer großen Zahl wichtiger Partner weltweit entwickelt werden Gen3 wird mit Sperrspannungen von 650 V 750 Vund 1200 Vauf den Markt kommen SiC-MOSFET-Gehäuse Um die Leistung des Siliziumkarbids zu maximieren wurden neue Verpackungen eingeführt Eines davon ist das STPAK das in der nächsten Abbildung dargestellt ist Es wurde speziell für Traktionsumrichter entwickelt und basiert auf der Sintertechnologie nicht nur für die Matrizenbefestigung sondern auch für die Montage auf einem Kühlkörper es eignet sich ideal für einen modularen Ansatz und ermöglicht eine einfache Skalierung der Nennleistung des Umrichters Merkmale die eine opPhysikalische Eigenschaften von Halbleitern mit großer Bandlücke im Vergleich zu Silizium Si SiC-4H GaN Bandgap eV 1 1 3 2 3 4 Electron mobility µn cm2 V·s 1450 900 2000 Breakdown electric field Ebr MV cm 0 3 3 3 5 Saturation electron drift velocity vs 107 cm s 1 2 2 2 5 Thermal conductivity Θ Wcm·K 1 5 3 8 1 3 Bild 2 Kontinuierliche Verbesserung der Die-Technologie Bild 3 STPAK-HU3PAKund Acepack-SMIT-Gehäuselösungen für SiC-MOSFETs