Revolution in der Leistungselektronik

Halbleiterbauteile auf Siliziumbasis sind bisher das Rückgrat der Leistungselektronik. Allerdings haben Probleme in Bezug auf Effizienz, thermische Leistung und Spannungshandhabung zu einer Verschiebung hin zu Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid- (GaN)-Halbleitern mit breiter Bandlücke geführt. Dadurch werden Schaltgeschwindigkeiten, Leistungsdichte und Gesamteffizienz des Systems drastisch verbessert – der Schlüsselfaktor für moderne Hochleistungs-Stromversorgungssysteme.

Die Grundlagen: Warum Wide-Bandgap?

Bevor wir zu SiC und GaN kommen, müssen wir verstehen, warum „breiter Bandabstand“ wichtig ist. Ein wenig Hintergrundwissen: Die Bandlücke eines Halbleiters ist die Energiemenge, die Elektronen benötigen, um vom Valenzband in das Leitungsband zu springen und damit zu beginnen, Elektrizität zu leiten. Herkömmliches Silizium hat einen relativ geringen Bandabstand (~1,1 eV), wodurch seine Leistung bei höheren Spannungen und Temperaturen eingeschränkt wird.

SiC und GaN haben beide viel größere Bandlücken, von etwa 3,26 eV bei SiC und etwa 3,4 eV bei GaN. Folgende unmittelbare Vorteile ergeben sich unter anderem aus einer solchen breiteren Bandlücke:

• Höhere Durchbruchspannungen, das bedeutet, dass Geräte mit deutlich höheren Spannungen arbeiten können, ohne dass Material beschädigt wird.
• Dank der verbesserten Wärmeleitfähigkeit können sie bei höheren Temperaturen effizienter arbeiten, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird.
• Höhere Schaltgeschwindigkeiten führen zu geringeren Schaltverlusten und höherer Betriebseffizienz.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich SiC und GaN besonders gut für die Zukunft der Leistungselektronik, wo Effizienz und Miniaturisierung von entscheidender Bedeutung sind.

Siliziumkarbid (SiC): Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen

Innerhalb kürzester Zeit hat SiC seinen Platz in Hochspannungsanwendungen gefunden – für effektives Wärmemanagement und hohe Zuverlässigkeit insbesondere bei Elektrofahrzeugen und industriellen Motorantrieben. Aufgrund der überlegenen Materialeigenschaften eignet sich SiC besonders für Anwendungen über 1 kV, bei denen deutliche Einbußen der Siliziumleistung zu beobachten sind.

Hauptvorteile von SiC

• Höhere Effizienz bei der Leistungsumwandlung: SiC-Bausteine, insbesondere MOSFETs und Schottky-Dioden, die bei mehr als 1200 V im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus Silizium mit weniger Energieverlust arbeiten, kommen nun in Leistungswandlern von Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Hauptziele bei Elektrofahrzeugen sind natürlich die Maximierung der Batterielebensdauer und die Minimierung der Wärmeableitung.
• Thermale Stabilität: Dank höherer Wärmeleitfähigkeit kann SiC bei wesentlich höheren Temperaturen – bis zu 200 °C – effizient arbeiten. Dadurch entfallen komplexe Kühlsysteme, was die Komplexität der Konstruktion und die Betriebskosten reduziert.
• Hohe Leistungsdichte: Mit höheren Schaltfrequenzen ermöglichen es SiC-Komponenten, passive Bauelemente wie Induktivitäten und Kondensatoren mit geringerer Baugröße einzusetzen, was zu kleineren und leichteren Systemen führt. Das ist äußerst nützlich, wenn Platz und Gewicht von entscheidender Bedeutung sind, wie in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen.

Wichtige Typen von SiC-Bausteinen

• SiC-MOSFETs: Diese Bausteine zeichnen sich durch hohe Durchbruchspannung von bis zu 3,3 kV, niedrigen Durchgangswiderstand (RDS(on)) und hohe Schaltgeschwindigkeiten aus, was zu einer verbesserten Effizienz und geringeren Energieverlusten in Hochleistungssystemen wie Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen und Solar-Wechselrichtern führt.
• SiC-Schottky-Dioden: Dank geringem Vorwärtsspannungsabfall und null Sperrverzögerung reduzieren SiC-Schottky-Dioden erheblich die Schaltverluste und decken damit einen breiten Anwendungsbereich in Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und in DC/DC-Wandlern ab.

Beispiel: Wechselrichter für Elektrofahrzeug mit SiC-MOSFETs

In der konventionellen EV-Inverterschaltung ersetzen SiC-MOSFETs die Silizium-IGBTs und ermöglichen höhere Schaltfrequenzen von bis zu 50 kHz – etwa eine Größenordnung höher, als bei herkömmlichen Technologien. Dies kann zu Reduktionen der Größe passiver Bauteile, Induktivitäten und Kondensatoren sowie der Gesamtgröße des Systems verhelfen.

Herausforderungen annehmen

• Hohe Kosten: Bisher waren SiC-Bausteine teurer als Silizium, da die Herstellungsprozesse komplizierter sind, z. B. was die Fehlerkontrolle beim Kristallwachstum betrifft. Allerdings kommt es im Zuge einer Produktionssteigerung zu Preissenkungen.
• Zuverlässigkeit des Gate-Oxids: Bei frühen SiC-MOSFETs traten Probleme mit der Zuverlässigkeit von Gate-Oxiden auf. Viele dieser Probleme wurden mit der Einführung verbesserter epitaktischer Wachstumstechniken und Gate-Oxid-Technik überwunden, wodurch die Lebensdauer der Bausteine verlängert wurde.

Galliumnitrid (GaN): Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen

GaN brilliert in Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen, bei denen schnelles Schalten und Effizienz an erster Stelle stehen. In der Regel liegt der Spannungsbereich für GaN-Bausteine unter 1 kV, aber sie weisen eine bessere Schaltleistung als Si und SiC auf.

Hauptvorteile von GaN

• Hohe Schaltfrequenz: Die meisten GaN-Leistungstransistoren können bei über 1 MHz betrieben werden, was die Größe passiver Komponenten verringert und die Gesamteffizienz des Systems erhöht. Besonders attraktiv sind sie für Anwendungen mit hoher Bestückungsdichte wie Servernetzteile und Unterhaltungselektronik, bei denen Energieeffizienz und Größe wichtig sind.
• Niedriger Durchgangswiderstand (RDS(on)): Die meisten GaN-Bausteine verfügen über einen wesentlich geringeren Durchgangswiderstand als Silizium, was die Leitungsverluste in Hochstromanwendungen reduziert. Eine unmittelbare Folge hiervon sind höhere Effizienz bei der Leistungsabgabe und kompaktere Designs.
• Verbesserte Effizienz bei HF-Anwendungen: Sicherlich bringt es Vorteile, diese Entwicklung für HF-Verstärker in der drahtlosen Kommunikation zu verwenden, ohne es aufgrund der schieren Machbarkeit bei hohen Frequenzen zu nennenswerten Verlusten kommen zu lassen. GaN ist außerdem ein vielversprechendes Material für die 5G-Infrastruktur der nächsten Generation, die hohe Energieeffizienz und schnelle Signalübertragung verlangt.

Wichtige Typen von GaN-Bausteinen

• GaN-HEMTs: Mit einem extrem niedrigen RDS(on) und ultraschnellen Schaltgeschwindigkeiten bis hinauf in den MHz-Bereich übertreffen diese Bauelemente in Schaltnetzteilen (SMPS), Telekom-Leistungsverstärkern und HF-Schaltungen die Leistung von Silizium-MOSFETs.
• Bausteine aus GaN-on-Si: Einer der wichtigen Motivationsfaktoren für die Integration von GaN-Schichten auf Siliziumsubstraten ist die Erzielung kostengünstiger Lösungen für die Hochfrequenz-Leistungsumwandlung.

Beispiel: GaN in SMPS

Ein GaN-basiertes SMPS arbeitet bei Frequenzen über 1 MHz und ermöglicht Größenreduzierung bei passiven Komponenten, einen höheren Wirkungsgrad und hohe Leistungsdichte. Im PFC-Stromkreis können Induktivitäten viel kleiner sein, da GaN höhere Schaltfrequenzen der Schalter unterstützt. Außerdem lässt sich die Systemgröße erheblich reduzieren.

Herausforderungen annehmen

• Wärmemanagement: Derzeit weist GaN eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als SiC, und diese Eigenschaft kann seine Verwendung in Hochleistungsanwendungen einschränken, sofern keine neuartigen Methoden für das Wärmemanagement, wie z. B. Substratkühlung, zum Einsatz kommen.
• Substratbeschränkungen: GaN-on-Si senkt zwar die Kosten, verursacht aber auch Gitterfehlanpassungen, die zu Problemen bei der Zuverlässigkeit führen können. Diese werden durch kontinuierliche Fortschritte bei der Substratentwicklung abgemildert.

SiC vs. GaN: Anwendungsspezifische Stärken

• SiC liegt bei Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen in Führung, bei denen Zuverlässigkeit und thermische Leistung von entscheidender Bedeutung sind.
• GaN hingegen eignet sich aufgrund höherer Schaltfrequenzen und geringerer Leitungsverluste besser für Anwendungen, die einen Hochfrequenzbetrieb bei mittlerer Leistung erfordern.

Anwendungsmatrix

Trends bei der Markteinführung

• Elektrofahrzeuge (EV) und Ladeinfrastruktur: SiC wird bei der Entwicklung von EV-Wechselrichtern und Schnellladestationen verwendet, da es Hochspannungen effizienter verarbeiten kann. GaN kommt bei Antriebssystemen von Elektrofahrzeugen noch immer kaum zum Einsatz, findet aber Anwendung in bordinternen Ladegeräten und Hilfssystemen mit geringer Leistungsaufnahme.
• Telekommunikations- und 5G-Infrastruktur: Berichten zufolge unterstützt GaN Hochfrequenzschaltungen, sodass es sich für Anwendungen wie 5G-Basisstationen eignet, bei denen eine effiziente Leistungsverstärkung und minimale Wärmeentwicklung erforderlich sind.
• Erneuerbare Energie: Sowohl SiC als auch GaN werden in Solar-Wechselrichtern verwendet, wobei SiC bei Hochspannung einen höheren Wirkungsgrad erzielt, während bei Niederleistungs-Wandlern aufgrund seiner Schaltgeschwindigkeit der Trend zu GaN geht.
• Unterhaltungselektronik: Galliumnitrid im Hochfrequenzbetrieb wird auch in kompakten, hocheffizienten Netzteilen für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik eingesetzt: Smartphones, Laptops und sogar drahtlose Ladegeräte. Auf Galliumnitrid basierende Ladegeräte gewinnen an Bedeutung, da sie kleiner sind und höhere Ladegeschwindigkeiten ermöglichen.

Fazit

SiC- und GaN-Halbleiter mit breiter Bandlücke stellen die neuen Gesichter auf dem Gebiet der Leistungselektronik dar. SiC-basierte Bausteine finden aufgrund ihrer Hochspannungs- und Hochleistungsfähigkeit ihren Einsatz in robusten, leistungsstarken Anwendungen, während GaN aufgrund seiner Hochfrequenzleistung für kompakte und energiesparende Systeme verwendet wird. Da Hindernisse bei Kosten und Fertigung immer mehr überwunden werden, ist in allen Branchen, einschließlich Elektrofahrzeuge, Telekommunikation und erneuerbare Energien, eine breite Akzeptanz unvermeidlich.