Untersuchungen zu Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern für Wechselrichter mit erhöhten Anforderungen (PDF)

Die Fortschritte in der Halbleitertechnik führten über die letzten Jahrzehnte zu
ausgereiften Leistungshalbleiterschaltern auf Basis von Silizium (Si). Um zukünftig
die physikalischen Grenzen dieser Bauelemente erweitern zu können, ist der
Einsatz eines Halbleitermaterials mit grösserem Bandabstand ein Erfolg versprechender
Ansatz. Hierzu zählt das Material Siliziumkarbid (SiC), welches robustere
und effizientere Leistungshalbleiter und somit kompaktere Systeme in Aussicht
stellt.
In der Arbeit werden zunächst ausgewählte Anwendungen mit erhöhten Anforderungen
(Automobil, Photovoltaik) vorgestellt, bei denen eine Erweiterung
des Temperaturbereiches oder eine höhere Effizienz mittels SiC-Halbleiter vorteilig
wären. Die aktuellen Si-Leistungshalbleiterbauelemente, deren Aufbau- und
Verbindungstechnik, Verlustmechanismen und Kühlung stellen hierfür den Stand
der Technik und somit die Vergleichsreferenz neuer Halbleiter dar.
Die Unterschiede zwischen der SiC- und der Si-Technologie werden anhand der
Materialeigenschaften und der darauf basierenden Halbleiterstrukturen erläutert.
Die dynamischen und statischen Eigenschaften wurden experimentell an verfügbaren
SiC-Mustern untersucht und unter Berücksichtigung gleicher Betriebsbedingungen
und gleicher Chip-Flächen sowie -Auslastungen der Si-Referenz gegenübergestellt.
Anhand der Variation der Untersuchungsparameter werden weiter
die Abhängigkeiten der Verlustanteile aufgezeigt, woraus günstige Anwendungsvoraussetzungen
abgeleitet werden können. Die Ergebnisse spiegeln einen Vergleich
zwischen den Technologien der untersuchten Si- und SiC-Muster wieder,
wobei die hierbei verfolgte Vorgehensweise auch auf andere Prototypen übertragbar
ist.
Das Potenzial für Anwendungen wird über Verlustabschätzungen eines dreiphasigen
Wechselrichters mit Sperrschichttemperaturen bis 200°C und Schaltfrequenzen
bis 30 kHz aufgezeigt. Die Verifizierung der Ergebnisse und die Beurteilung
der Einsatzfähigkeit der SiC-Leistungshalbleiter erfolgten an einem SiCJFET-
und einem SiC-MOSFET-Versuchswechselrichter.