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www markttechnik de Nr 44 2021 34 Top-Fokus|leistungselektronik deten Polytypen Die für diesen Artikel verwendeten SiC-Transistoren basieren auf 4H-SiC Die in der Einheit eV ausgedrückte Breite der Bandlücke gibt den Abstand zwischen dem unteren Rand des Leitungsbands und dem oberen Rand des Valenzbands in einem kristallinen Festkörper an Bei Halbleitern liegt dieser als EG bezeichnete Wert zwischen 1 eV und 4 eV Werkstoffe mit EG > 9 eV sind in der Regel Isolatoren während man es mit einem elektrisch leitenden Werkstoff zu tun hat wenn EG kleiner als 1 eV ist Als ein Maß dafür wie schnell sich ein Elektron unter dem Einfluss eines elektrischen Felds durch das Material bewegen kann dient die Elektronenbeweglichkeit So wirkt sich die breitere Bandlücke und die geringere Elektronenmobilität eines SiC-MOSFET gegenüber einem Sibasierten MOSFET auf den Kanal - widerstand aus Dieser ist bei SiC-MOSFETs größer als bei Si-MOSFETs weshalb in der Regel eine höhere Eingangsspannung erforderlich ist um einen SiC-MOSFET in die Sättigung zu treiben Auf der anderen Seite sorgt die breitere Bandlücke dafür dass die Abhängigkeit des Leckstroms von der Temperatur bei SiC-MOSFETs geringer ist Überdies ist die Betriebstemperatur von SiC-MOSFETs deutlich höher und wird nur durch die Zuverlässigkeitseigenschaften des Gehäuses begrenzt Abhängig ist der Einschaltwiderstand von Hochspannungs-MOS-FETs hauptsächlich von ihrer Dicke und dem spezifischen Widerstand der Driftschicht Bild 1 Bei SiC-MOSFETs ist die Durchbruchfeldstärke zehnmal größer als bei Si Bei gleicher Durchbruchspannung müssen der spezifische Widerstand und die Dicke der Driftschicht also geringer sein weil SiC-MOSFETs gegenüber Sibasierten MOSFETs einen extrem geringen R DS on aufweisen Auskunft über die theoretische Grenze des Einschaltwiderstands pro Flächeneinheit für WBGund Sibasierte Transistoren gibt Bild 2 Während die derzeit angebotenen Sibasierten Transistoren bezüglich des Einschaltwiderstands pro Flächeneinheit an ihren Grenzen angelangt sind steht die Entwicklung der Technologie zur Herstellung von SiC-Bauelementen noch ganz am Anfang sodass hier für künftige Generationen noch Verbesserungen zu erwarten sind Hervorzuheben ist die Tatsache dass ein SiC-MOSFET bei gleichem Einschaltwiderstand und gleicher Durchbruchspannung deutlich weniger Fläche benötigt als ein konventioneller Silizium-MOSFET Er weist demzufolge geringere Kapazitäten und eine geringere Gate-Ladung auf was wiederum in kleinen Schaltverlusten und mehr Effizienz resultiert Die höhere Wärmeleitfähigkeit äußert sich durch einen niedrigeren Wärmewiderstand Eine Folge des bei gleicher Fläche wesentlich geringeren thermischen Widerstands von SiC-MOSFETs ist eine niedrigere Sperrschichttemperatur im Betrieb Der SiC-Transistor in seinem Umfeld Trotz all der soeben aufgeführten Vorteile beschränkte sich die Einsatz von SiC-Transistoren in der Vergangenheit aus Kostengründen auf ganz spezielle Anwendungen für anspruchsvolle industrielle Märkten Stromversorgungen für Ölbohranlagen militärische Systeme und Ähnliches Wichtige Einflussfaktoren auf die Kosten waren die höheren Kosten und die geringere Verfügbarkeit von SiC-Substraten die teureren Fertigungsprozesse für SiC und die geringeren Produktionsausbeuten hauptsächlich infolge der höheren Defektdichten der Substrate In letzter Zeit haben Verbesserungen der Substratqualität dazu geführt dass die Produktionsausbeute und die Zuverlässigkeit von SiC-Bauelementen signifikant gesteigert werden konnten Zusammen mit der gestiegenen Verfügbarkeit von Substraten hat dies Verbesserungen des Wirkungsgrads und der Fertigungs-Bild 2 Theoretischer Einschaltwiderstand pro Flächeneinheit als Funktion der Durchbruchspannung Tabelle 1 Vergleich der Eigenschaften von Si und WBG-Materialien Eigenschaften Si 4H-SiC GaN Kristallstruktur diamantförmig sechseckig sechseckig Bandlücke EG [eV] 1 12 3 26 3 5 Elektronen-Mobilität µn [cm² Vs] 1400 900 1250 Durchbruchfeldstärke EB [Vcm] ∙ 10 6 0 3 3 3 Wärmeleitfähigkeit [Wcm ∙ °C] 1 5 4 9 1 3 Tabelle 2 PFC-Verluste und Wirkungsgradberechnung für verschiedene Anwendungsfälle Anwendungsfälle Pcondswitch [W] Jeder Schalter Pturnoff [W] Jeder Schalter Pturnon [W] Jeder Schalter Pcond syncrec [W] Jeder Schalter P Qrr body diode [W] Jeder Schalter Each PTN5050H-12W [W] PTOT BOOST [W] PTOT SiC [W] Effizienz 120 V AC 16 Arms 2 25 2 51 6 48 1 34 TBD 7 20 39 56 12 59 97 939 % 240 V AC 27 Arms 2 80 4 17 7 82 7 26 TBD 13 15 70 40 22 05 98 914 % 220 V AC 32 Arms 4 78 5 21 8 49 9 30 TBD 16 13 87 80 27 77 98 753 %