Die dritte Generation von Halbleitern mit großem Bandabstand, repräsentiert durch Siliziumkarbid, kann in Umgebungen mit höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen einwandfrei funktionieren und dabei weniger Energie verbrauchen sowie eine höhere Lebensdauer und Zuverlässigkeit aufweisen. Sie eröffnet bahnbrechende Möglichkeiten für die nächste Generation kleinerer, schnellerer, kostengünstigerer und hocheffizienterer Leistungselektronikprodukte.

Die Weiterentwicklung und Industrialisierung der Siliziumkarbid-Leistungselektroniktechnologie wird neue Anwendungen in Hochspannungssystemen eröffnen und die Transformation des Energiesystems maßgeblich beeinflussen. Die hervorragenden Eigenschaften von Siliziumkarbid-Leistungselektronikbauelementen – hoher Wirkungsgrad, hohe Spannung, hohe Temperatur und hohe Frequenz – verleihen ihnen großes Anwendungspotenzial in Bereichen wie Haushaltsgeräten, Energieeinsparung bei Motoren, Elektrofahrzeugen, intelligenten Stromnetzen, Luft- und Raumfahrt, Erdölförderung, Automatisierung, Radar und Kommunikation.

Einführung in Siliziumkarbid-Leistungselektronikbauelemente

1. Definition of silicon carbide (SiC)

Siliziumkarbid (SiC)-Leistungselektronikbauelemente sind Breitband-Leistungselektronikbauelemente aus dem Halbleitermaterial der dritten Generation. Sie zeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Frequenzen und hohen Wirkungsgrad aus. Je nach Bauform lassen sich SiC-Leistungselektronikbauelemente hauptsächlich in Leistungsdioden und Leistungsschalter unterteilen. Zu den Leistungsdioden zählen unter anderem JBS-Dioden (Junction Barrier Schottky), PiN-Dioden und Superjunction-Dioden. Leistungsschalter umfassen insbesondere MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), JFETs (Junction Field Effect Transistors), BJTs (Bipolartransistoren), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), GTOs (Gate Turn-Off Thyristors) und ETOs (Emitter Turn-Off Thyristors).

2. Technische Vorteile

Die hervorragenden Eigenschaften von Siliziumkarbid-Halbleitern führen dazu, dass auf Siliziumkarbid basierende Leistungselektronikbauelemente gegenüber Siliziumbauelementen folgende herausragende Vorteile aufweisen:

(1) Besitzt einen geringeren Durchlasswiderstand. Bei niedriger Durchbruchspannung (ca. 50 V) beträgt der spezifische Durchlasswiderstand von Siliziumkarbid-Bauelementen nur 1.12 µΩ, was etwa 1/100 des Wertes vergleichbarer Silizium-Bauelemente entspricht. Bei hoher Durchbruchspannung (ca. 5 kV) steigt der spezifische Durchlasswiderstand auf 25.9 mΩ, was etwa 1/300 des Wertes vergleichbarer Silizium-Bauelemente entspricht. Der geringere Durchlasswiderstand ermöglicht es Siliziumkarbid-Leistungselektronikbauelementen, geringere Leitungsverluste zu erzielen und somit einen höheren Gesamtwirkungsgrad zu erreichen.

(2) Besitzt eine höhere Durchbruchspannung. Zum Beispiel: Kommerzielle Silizium-Schottky-Dioden haben üblicherweise eine Nennspannung von unter 300 V, die erste kommerzielle Siliziumkarbid-Schottky-Diode erreichte jedoch 600 V; die Nennspannung des ersten kommerziellen Siliziumkarbid-MOSFETs beträgt 1200 V, während die meisten gebräuchlichen Silizium-MOSFETs unter 1 kV liegen.

(3) Ein geringerer thermischer Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse führt dazu, dass die Temperatur des Bauteils langsamer ansteigt.

(4) Höhere maximale Betriebstemperatur. Die extreme Betriebsstabilität von Siliziumkarbid dürfte über 600 °C liegen, während die maximale Sperrschichttemperatur von Siliziumbauelementen nur 150 °C beträgt.

(5) Stärkere Strahlungsbeständigkeit, wodurch das Gewicht der Strahlenschutzausrüstung bei deren Einsatz in der Luftfahrt und anderen Bereichen reduziert werden kann.

(6) Höhere Stabilität, die Vorwärts- und Rückwärtscharakteristiken von Siliziumkarbidbauelementen ändern sich mit der Temperatur nur sehr geringfügig.

(7) Geringere Schaltverluste. Siliziumkarbid-Bauelemente weisen geringe Schaltverluste auf und können bei höheren Schaltfrequenzen (>20 kHz) betrieben werden, die mit Silizium-Bauelementen bei Leistungspegeln im Bereich von mehreren zehn Kilowatt schwer zu erreichen sind.

3. Hauptkategorien

(1) Siliziumkarbid-Schottky-Diode

Als unipolares Bauelement weist die Schottky-Barrierediode (SBD) während des Leitvorgangs keine zusätzliche Ladungsträgerinjektion und -speicherung auf, wodurch praktisch kein Sperrstrom auftritt. Ihr Abschaltvorgang ist sehr schnell und die Schaltverluste sind sehr gering. Allerdings ist die Schottky-Barriere von Silizium niedrig, der Sperrstrom von Silizium-SBDs ist relativ hoch und die Sperrspannung niedrig. Sie eignet sich daher nur für Niederspannungen von ein bis zweihundert Volt. PiN-Dioden werden üblicherweise bei höheren Spannungen eingesetzt, weisen jedoch einen hohen Sperrstrom und hohe Schaltverluste auf. Aufgrund der hohen kritischen Lawinendurchbruchfeldstärke von Siliziumkarbid lassen sich Siliziumkarbid-SBDs mit einer Sperrspannung von über 1000 V relativ einfach herstellen.

Aufgrund dieser einzigartigen Vorteile von SiC produzieren Halbleiterhersteller wie Cree Hochspannungs-SiC-Schottky-Dioden mit Stromstärken von 1–20 A und Spannungen von 300 V, 600 V und 1200 V. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten internationalen Hersteller von Siliziumkarbid-Schottky-Dioden (SBDs) und die Leistungsfähigkeit ihrer kommerziellen Produkte. Cree hat kürzlich seine neueste Siliziumkarbid-SBD mit einer Spannung von 1700 V auf den Markt gebracht. In Hochspannungsschaltanwendungen bieten SiC-Schottky-Dioden nahezu ideale Leistung. Sie weisen praktisch keine Durchlassspannung auf und schalten daher sofort ein. Im Gegensatz zur Sperrschichtkapazität ist auch ihre gespeicherte Ladung sehr gering, wodurch sie schnell wieder ausschalten können.

(2) Siliziumkarbid-Leistungstransistor

Die American SemiSouth Company hat umfassende Forschung im Bereich Siliziumkarbid-JFETs betrieben und ist derzeit der weltweit führende Anbieter kommerzieller Siliziumkarbid-JFET-Bauelemente. Die maximale Nennspannung ihrer SiC-JFET-Produkte beträgt 1700 V, die maximale Nennstromstärke 30 A.

Aufgrund der überlegenen Eigenschaften und erfolgreichen Anwendungen von Silizium-MOSFETs haben sich Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFETs) in der Forschung von Leistungselektronikbauteilen aus Siliziumkarbid als beliebtestes Bauelement etabliert. Das amerikanische Unternehmen Cree leistete Pionierarbeit in der Siliziumkarbid-MOSFET-Forschung und brachte zwei kommerzielle SiC-MOSFET-Produkte (10 A/1200 V und 20 A/1200 V) auf den Markt. Damit ist Cree der weltweit einzige Hersteller, der kommerzielle diskrete SiC-MOSFETs anbietet. Auch die japanische Rohm Corporation treibt die Kommerzialisierung ihrer SiC-MOSFETs aktiv voran. Diese ersten SiC-N-Kanal-DMOSFETs waren hauptsächlich für 1200-V-Anwendungen konzipiert. SiC-MOSFETs bieten bei dieser Spannung deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Si-Bauelementen.

02

Entwicklungsstand von Siliziumkarbidbauelementen im Ausland 1. Vereinigte Staaten

Bereits 1997 definierten die Vereinigten Staaten im „Nationalen Verteidigungs- und Wissenschaftsplan“ die Entwicklungsziele für Halbleiter mit breiter Bandlücke klar. 2014 initiierte Präsident Obama persönlich die Gründung der dritten Generation der Industrieallianz für Halbleiter mit breiter Bandlücke, vertreten durch SiC. Ziel ist es, die Technologie umfassend zu fördern und so die technologische Innovation in der Leistungselektronik der nächsten Generation voranzutreiben. Die Allianz erhält derzeit 140 Millionen US-Dollar an Fördermitteln von Bund und Ländern. Innerhalb der nächsten fünf Jahre soll die Technologie für Halbleiter mit breiter Bandlücke hinsichtlich der Kosten mit der aktuellen siliziumbasierten Leistungselektronik konkurrenzfähig werden und die nächste Generation energiesparender, effizienter und leistungsstarker Leistungselektronikchips und -geräte hervorbringen. Sie wird viele der weltweit größten und am schnellsten wachsenden Industriemärkte – darunter Unterhaltungselektronik, Industrieanlagen, Kommunikation und saubere Energie – prägen, die internationale Wettbewerbsfähigkeit stärken und hochqualifizierte Arbeitsplätze schaffen.

2. Japan

Seit 1998 fördert die japanische Regierung kontinuierlich die Forschung an Halbleitertechnologie mit großem Bandabstand. 2013 nahm Japan das SiC-Materialsystem in die Strategie des Premierministers auf, da man davon ausging, dass zukünftig 50 % der Energieeinsparungen durch SiC-Bauelemente erzielt werden könnten, um so eine neue Ära sauberer Energie einzuleiten. In den letzten Jahren hat die japanische Organisation für die Entwicklung neuer Energietechnologien (NEDO) ein Forschungsprogramm zu SiC-Leistungselektronikbauelementen ins Leben gerufen. Der Fokus liegt dabei auf der Anwendung von SiC-Leistungsmodulen in Stromkreisen von Eisenbahnlokomotiven, verschiedenen Energieübertragungssystemen, der Stromerzeugung und integrierten Systemen zur Abwärmenutzung von Turboladern, in hochmodernen Medizingeräten sowie bei der Miniaturisierung von Beschleunigern, um die Ziele der Energieeinsparung und Effizienzsteigerung zu erreichen.

3. Europäische Union

Im Jahr 2014 startete die Europäische Union das dreijährige Forschungsprogramm SPEED (2014–2017) zur SiC-Leistungselektronik für hocheffiziente Stromversorgungssysteme mit einem Gesamtinvestitionsvolumen von 18.58 Millionen Euro. Zwölf Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus sieben Ländern beteiligten sich an dem Programm. Ziel war es, die SiC-Leistungselektroniktechnologie durch die Zusammenarbeit der weltweit führenden Hersteller und Forscher zu revolutionieren, den technischen Engpass entlang der gesamten Wertschöpfungskette der SiC-Leistungselektronik zu überwinden und eine breite Anwendung im Bereich der erneuerbaren Energien zu erreichen. Im Jahr 2015 förderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Industriepartner mit 800,000 Euro, um die Energieeffizienz von Hochfrequenz-Netzteilen auf Basis von SiC-Schaltelementen zu verbessern. Dadurch sollten die Energieeffizienz von Netzteilen in der industriellen Produktion gesteigert, der Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen reduziert werden.

Der Entwicklungsstand von Siliziumkarbidbauelementen in China

1. Tyco Tianrun

Tyco Tianrun wurde 2011 gegründet. Das Produktportfolio umfasst Basistechnologieprodukte, Siliziumkarbid-Formteile und diverse Industrielösungen. Zu den Basistechnologieprodukten zählen Siliziumkarbid-Schottky-Dioden.

Im Jahr 2015 kündigte Tyco Tianrun die Markteinführung einer 3300-V/50-A-Hochleistungs-Schottky-Diode aus Siliziumkarbid an. Berichten zufolge zeichnet sich das Produkt durch einen geringen Spannungsabfall in Durchlassrichtung, hohe Schaltgeschwindigkeit und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aus und eignet sich für anspruchsvolle Anwendungsbereiche wie Schienenverkehr und intelligente Stromnetze.

Berichten zufolge beträgt der typische Durchlassspannungsabfall einer 3300-V/50-A-Hochleistungs-Siliziumkarbid-Schottky-Diode 2.22 V (IF = 50 A, Tj = 25 °C) bzw. 4.75 V (IF = 50 A, Tj = 175 °C). Der typische Sperrstrom liegt bei 120 µA (VR = 3300 V, Tj = 25 °C) bzw. 200 µA (VR = 3300 V, Tj = 175 °C). Die Diode gewährleistet höchste Zuverlässigkeit in anspruchsvollen elektrischen Umgebungen und ist im Temperaturbereich von -55 °C bis 175 °C funktionsfähig. Die Produkte sind als ungekapselte Chips erhältlich; die Gehäuseformen können kundenspezifisch angepasst werden.

2. Shenzhen Basic Semiconductor

Shenzhen Basic Semiconductor wurde 2016 gegründet und konzentriert sich auf die Forschung, Entwicklung und Industrialisierung von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern. Das Unternehmen gehört zu den Initiatoren des Shenzhen Third Generation Semiconductor Research Institute. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. beschäftigt sich seit Langem mit der Forschung und Entwicklung von SiC-Leistungshalbleitern. Zu den Hauptprodukten zählen SiC-Dioden, SiC-MOSFETs und SiC-MOSFET-Module in Automobilqualität, die in der erneuerbaren Energieerzeugung, in Elektrofahrzeugen, im Schienenverkehr und in intelligenten Stromnetzen weit verbreitet sind.

Der von Basic Semiconductor im Oktober 2018 offiziell vorgestellte 1200-V-Siliziumkarbid-MOSFET ist das erste industrietaugliche Produkt, das von einem chinesischen Unternehmen eigenständig entwickelt wurde und Zuverlässigkeitstests bestanden hat. Seine Leistung entspricht internationalem Spitzenniveau, und die Kurzschlussfestigkeit beträgt bis zu 6 µs.

3. Yangjie-Technologie

Yangjie Technology ist spezialisiert auf die industrielle Entwicklung in den Bereichen Herstellung von Leistungshalbleiterchips und -bauelementen sowie auf die Gehäusefertigung und Prüfung integrierter Schaltungen. Zu den Hauptprodukten zählen verschiedene Leistungselektronik-Bauelemente, Leistungsdioden, Gleichrichterbrücken, Hochleistungsmodule, DFN/QFN-Bauelemente, SGTMOS-Transistoren, Siliziumkarbid-SBDs, Siliziumkarbid-JBS-Transistoren usw. Die Produkte finden breite Anwendung in der Unterhaltungselektronik, Sicherheitstechnik, industriellen Steuerungstechnik, Automobilelektronik, im Bereich erneuerbarer Energien und vielen weiteren Anwendungsgebieten.

The official website of Yangjie Technology shows that there are currently 4 silicon carbide Schottky modules, the models are MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ, and MB40DU12FJ. If you look at the Datasheet, you can know that the model MB200DU01FJ can be used in electroplating power supplies, high-frequency power supplies, high-current switching power supplies, reverse battery protection, welding machines and other scenarios.

3. Kern glänzend und feucht

Xinguang Runze, gegründet im März 2016, ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung, Entwicklung und Fertigung von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern und -Modulen der dritten Generation spezialisiert hat. Am 18. September 2018 nahm Xinguangrunze die erste Produktionslinie für intelligente Siliziumkarbid-Leistungsmodule (SiCIPM) in China offiziell in Betrieb. Der Bau der Anlage hatte im Dezember 2016 begonnen. Nach Erreichen des stabilen Produktionsbetriebs wird eine monatliche Produktionskapazität von 300,000 und eine jährliche Produktionskapazität von 3.6 Millionen Einheiten erwartet. Das Unternehmen bietet Siliziumkarbidprodukte wie Siliziumkarbid-Schottky-Dioden (SBDs) und Siliziumkarbid-MOSFETs an. Beispielsweise erfüllt der Siliziumkarbid-SBD XGSCS1230SWA die Spannungsanforderungen von 1200 V. Anwendungsbereiche sind Schaltnetzteile, Leistungsfaktorkorrektur, Wechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Motorantriebe usw.

4. Ruineng Semiconductor

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. ist ein Hightech-Joint-Venture von NXP Semiconductors und Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor konzentriert sich auf die Entwicklung eines branchenführenden, umfassenden Portfolios an bipolaren Leistungshalbleitern, darunter Silizium-gesteuerte Gleichrichter und Triacs, Silizium-Leistungsdioden, Hochspannungstransistoren und Siliziumkarbiddioden. Die Siliziumkarbiddioden des Unternehmens werden hauptsächlich in der Industrie, in Servern, Klimaanlagen und anderen Bereichen eingesetzt. Laut der offiziellen Website bietet Ruineng Semiconductor 25 Siliziumkarbiddioden-Modelle an, die alle die Spannungsanforderung von 650 V erfüllen. Ein Beispiel hierfür ist das Modell NXPSC16650B, das unter anderem in der Leistungsfaktorkorrektur, in Schaltnetzteilen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Photovoltaik-Wechselrichtern, LED-/OLED-Fernsehern und Motorantrieben verwendet werden kann.

5. Shanghai Zhanxin Electronics

Shanghai Zhanxin Electronics hat sich der Entwicklung kosteneffizienter Leistungschips und Modulprodukte mit Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen als Kern verschrieben und bietet damit komplette Halbleiterlösungen für die Miniaturisierung, Effizienzsteigerung und Gewichtsreduzierung von Stromversorgungen und elektrischen Antriebssystemen.

Im Oktober 2017 wurde die Fertigung von Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs auf einer ausgereiften, serienmäßigen 6-Zoll-Prozesslinie abgeschlossen. Die Wafer-Level-Tests zeigten, dass die verschiedenen elektrischen Parameter den Erwartungen entsprachen und bildeten damit eine solide Grundlage für die weitere Optimierung von Prozess und Gerätedesign. Am 1. Mai 2018 wurde der erste in China gefertigte 6-Zoll-SiC-MOSFET-Wafer offiziell produziert.

04

Typische Anwendungen von Siliziumkarbidbauelementen: 1. 5G-Infrastruktur – Stromversorgung für die Kommunikation

Die Stromversorgung für Kommunikationssysteme dient als Energiespeicher für Server und Basisstationen. Sie versorgt diverse Übertragungsgeräte mit Strom und gewährleistet den reibungslosen Betrieb des Kommunikationssystems. Dank der Hochfrequenzeigenschaften von Siliziumkarbid-MOSFETs können die Magnetbauteile im Leistungskreis kleiner und leichter gestaltet werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Stromversorgung steigt. Die Sperrverzögerungseigenschaften von Siliziumkarbid-Schottky-Dioden sind nahezu null, was ihnen ein breites Anwendungsspektrum in vielen PFC-Schaltungen eröffnet. Beispielsweise kann in einer 3-kW-Hochleistungs-PFC-Schaltung ohne Brückenschaltung mit verschachtelter Schaltung der Einsatz von 650-V/10-A-Siliziumkarbid-Schottky-Dioden dazu beitragen, die hohen technischen Anforderungen an einen Wirkungsgrad von mindestens 95 % unter Volllast zu erfüllen.

2. Ladesäule für neue Energiefahrzeuge – Leistungsmodul für die Ladesäule

Die rasante Entwicklung der Elektromobilitätsbranche hat die Nachfrage nach Ladesäulen deutlich gesteigert. Für Elektrofahrzeuge sind die Erhöhung der Ladegeschwindigkeit und die Senkung der Ladekosten die beiden Hauptziele der Branchenentwicklung. Der Einsatz von Siliziumkarbid-Bauelementen in Ladesäulen-Leistungsmodulen ermöglicht eine hohe Effizienz und Leistung dieser Module und trägt somit zu einer schnelleren Ladezeit und geringeren Ladekosten bei.

3. Big-Data-Center, industrielles Internet – Server-Stromversorgung

Das Servernetzteil ist der Energiespeicher des Servers. Es versorgt den Server mit Strom, um dessen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Der Einsatz von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern in Servernetzteilen kann die Leistungsdichte und Effizienz verbessern, die Gesamtgröße des Rechenzentrums reduzieren, die Baukosten senken und eine höhere Umweltverträglichkeit erzielen. Beispielsweise kann in einem 3-kW-Server-Netzteilmodul der Einsatz von Siliziumkarbid-MOSFETs in einer Totem-Pole-PFC die Effizienz des Netzteils deutlich steigern und höhere Effizienzanforderungen erfüllen.

4. Ultrahochspannung - Anwendung flexibler Gleichstrom-Leistungsschalter

As a large-scale system project, UHV will trigger a series of demands for raw materials and components. Power devices are key components of FACTS flexible transmission technology in UHV DC transmission at the transmission end and power electronic transformers (PET) at the substation end. As one of the key parts of flexible DC transmission, the reliability of DC circuit breaker has a great impact on the stability of the entire transmission system. Using traditional silicon-based devices to design DC circuit breakers requires multi-level sub-units to be connected in series. Using high-voltage silicon carbide devices in DC circuit breakers can greatly reduce the number of series sub-units, which is a key direction of industry research.

5. Intercity-Hochgeschwindigkeitszüge und Intercity-Schienenverkehr – Traktionsumrichter, Leistungstransformator, Hilfsumrichter, Hilfsstromversorgung

Future rail transit will place higher requirements on power electronic devices, such as traction converters, power electronic voltage converters, etc. The use of silicon carbide power devices can greatly improve the power density and working efficiency of these devices, which will help significantly reduce the load-bearing system of rail transit. Silicon carbide devices can achieve further high efficiency and miniaturization of equipment, and have huge technical advantages in rail transportation. Japan's Shinkansen N700S has taken the lead in using silicon carbide power devices in traction converters, significantly reducing the weight of the vehicle, achieving higher carrying efficiency and reducing operating costs.

05

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Siliziumkarbid-Leistungselektronikbauelemente zwar noch Probleme wie geringe Ausgangsleistung, hohe Preise, eine begrenzte Auswahl an kommerziellen Geräten und fehlende Hochtemperaturgehäuse aufweisen, diese jedoch durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie schrittweise gelöst werden. Es werden mehr und bessere kommerzielle Siliziumkarbid-Leistungselektronikbauelemente auf den Markt kommen, wodurch sich die Anwendungsbereiche dieser Bauelemente erheblich erweitern werden. In naher Zukunft werden Siliziumkarbid-Leistungselektronikbauelemente eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung von Leistungsverlusten, der Verbesserung des Wirkungsgrades und der Leistungsdichte in verschiedenen Wandleranwendungen spielen.

Hinweis: Dieser Artikel wurde aus dem Internet übernommen und unterstützt den Schutz urheberrechtlich geschützter Werke. Bitte geben Sie bei einer Weiterveröffentlichung die Originalquelle und den Autor an. Sollten Urheberrechte verletzt worden sein, kontaktieren Sie uns bitte, damit wir den entsprechenden Artikel entfernen können.

Firmentelefonnummer: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-Mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manager Li

QQ: 332496225 Manager Qiu

Adresse: Raum 809, Gebäude C, Zhantao Technology Building, Minzhi Avenue 1079, Longhua New District, Shenzhen