Wie man die Vorteile von Siliziumkarbid-Leistungsmodulen voll ausschöpft

Silizium ist traditionell das bevorzugte Material für Leistungshalbleiter, aber in letzter Zeit hat sich Siliziumkarbid (SiC) als alternatives Material herauskristallisiert, das eine bessere Leistung für Hochwärme- und Hochspannungsanwendungen bietet.

SiC-Leistungsmodule zeichnen sich durch höhere Schaltfrequenzen bei geringeren Verlusten für kompaktere passive Filterkomponenten aus und ermöglichen so eine höhere Leistungsdichte in Systemen bei geringeren Kosten.

Schnelles Umschalten

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) mit breiter Bandlücke könnten den Markt für Leistungsmodule durch schnellere Schaltgeschwindigkeiten, geringere Verluste und reduzierte elektromagnetische Störungen (EMI) revolutionieren. Um die Vorteile von SiC-Modulen in vollem Umfang nutzen zu können, ist jedoch ein geeigneter Ansatz bei der Entwicklung und Montage erforderlich. Im Folgenden finden Sie einige bewährte Verfahren, die Entwicklern dabei helfen können, etwaige Hürden zu überwinden und die Vorteile voll auszuschöpfen.

Hochgeschwindigkeits-SiC-Leistungstransistoren haben das Potenzial, die Systemspannung um bis zu 50% zu reduzieren und gleichzeitig eine überragende Oberschwingungsleistung zu bieten, so dass Entwickler kleinere passive Komponenten einsetzen und die Leistungsdichte erhöhen können. Die Kommutierungsinduktivität ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit SiC-Bauelementen. Um sie zu verringern, sollten die Entwickler SiC-MOSFETs in Gehäuse mit minimaler parasitärer Induktivität einbauen.

Die SEMITOP E1/E2-Leistungsmodulplattform verfügt über die neuesten Chip-Generationen in verschiedenen Topologien, wie z.B. Sixpack-, Half-Bridge- und H-Bridge-Topologien. Die Pinbelegung ist für einfachere Leiterplattenentwürfe und die gleichzeitige Parallelschaltung mehrerer Leistungsmodule optimiert und verfügt über einen extrem niedrigen spezifischen RDS(on)-Temperaturkoeffizienten, der hohe Betriebsgeschwindigkeiten ermöglicht.

Leistungsmodule aus Siliziumkarbid sind eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen, die eine höhere Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und schnellere Schaltgeschwindigkeiten erfordern. Ihr breiter Temperaturbereich und ihr hoher Wirkungsgrad machen sie zu einer attraktiven Option für Motorantriebe und Batterieladegeräte. Darüber hinaus können sie großen Stoßströmen standhalten und bieten im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Leistungshalbleitern ein besseres thermisches Verhalten, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.

Trotz der vielen Vorteile, die Hochgeschwindigkeitsschaltungen bieten, gibt es immer noch einige Hindernisse, die einer breiten Einführung in industriellen Anwendungen entgegenstehen. Dazu gehören Schwierigkeiten bei der genauen Prüfung und Messung von Schaltern, Schaltungsparasitika, die Spannungsspitzen verursachen können, die Nichteinhaltung von EMI-Vorschriften sowie hochkomplexe Anforderungen an Design und Integration von Leistungsstufen. Zum Glück gibt es einige bewährte Verfahren, mit denen diese Probleme überwunden werden können und die das volle Potenzial der SiC-Technologie in Hochgeschwindigkeitsanwendungen freisetzen.

Die LM Power Module Platform von Wolfspeed nutzt die Vorteile von Siliziumkarbid in anspruchsvollen Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, wie z.B. Ladegeräte für Elektrofahrzeuge und industrielle USVs, wie z.B. das innovative 62 mm Modulgehäuse, das SiC-Schalthalbleiter mit einer Industriestandard-Grundplatte kombiniert, um eine kontinuierliche Sperrschichttemperatur von 175 Grad Celsius zu erreichen, und ein zuverlässiges Si3N4-Leistungssubstrat aufweist, um mechanische Robustheit in rauen Umgebungen zu gewährleisten, zusätzlich zu einer AlSiC-Grundplatte mit einem extrem niedrigen Übergangswiderstand von 0.15degC/W pro Schalterposition für maximale Wärmewiderstandsleistung und mechanische Haltbarkeit unter rauen Bedingungen.

Hohe Leistungsdichte

Fahrantriebe sind für einen Großteil der Energieerzeugung eines Elektrofahrzeugs (EV) verantwortlich. Sie müssen daher mit maximaler Effizienz arbeiten und gleichzeitig möglichst wenig Platz beanspruchen, um das Gewicht zu minimieren. Um die Reichweite zu maximieren, müssen sie außerdem auf kleinem Raum eine hohe Leistung erzeugen. Dazu sind Wechselrichter erforderlich, die die Leistung mit höheren Schaltfrequenzen und geringeren Verlusten als herkömmliche Silizium-IGBTs umwandeln.

Wide-Bandgap-Siliziumkarbid (WBG SiC) ist das optimale Material, um diese Leistungsziele zu erreichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Si-Bauelementen können WBG-SiC-Bauelemente bei höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden, ohne dass Schaltverluste auftreten, wie sie bei Silizium-Bauelementen zu beobachten sind; außerdem weist es geringere Schaltverluste als Silizium auf, was höhere Schaltfrequenzen ermöglicht, die letztlich die Effizienz und Leistungsdichte erhöhen.

Aus diesem Grund setzen die Entwickler von Energieumwandlungssystemen zunehmend auf Siliziumkarbid-Bauelemente (SiC). Die Vorteile von SiC sind enorm, aber die Verwendung von SiC kann auch eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringen. Zum Beispiel können die hohen Temperaturen und die hohe Leistung die Lötstellen übermäßig belasten, was die Fähigkeit, die Leistung zu wechseln, erheblich reduziert. Vincotech hat darauf mit der Entwicklung einer innovativen Chip-Löttechnologie reagiert, die solche Belastungen abmildert, um die Power-Cycling-Fähigkeit von SiC-Modulen zu verbessern.

SiC-Module zeichnen sich im Vergleich zu anderen Bauelementen durch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aus und ermöglichen es den Entwicklern, die Größe der passiven Filterkomponenten zu reduzieren, um eine höhere Leistungsdichte zu erreichen und gleichzeitig den Bedarf an Wärmeableitung zu verringern, wodurch die Gesamtsystemkosten gesenkt werden.

SiC kann auch dazu beitragen, das Gewicht und die Größe von Stromrichtern zu reduzieren, da es viel kleiner ist als herkömmliche Silizium-Bauelemente, wodurch die Systemeffizienz und -zuverlässigkeit verbessert und gleichzeitig Gewicht und Größe reduziert werden.

Unabhängig von der Anwendung müssen die Hersteller von Stromrichtern sicherstellen, dass ihre Module anspruchsvolle Leistungskriterien erfüllen können. Dazu gehören eine hohe Schaltfrequenz und eine niedrige Streuinduktivität - wesentliche Elemente zur Aufrechterhaltung der für eine optimale Leistung erforderlichen schnellen Flankenraten. Glücklicherweise erfüllen die 3,3-kV-Leistungsmodule von Wolfspeed, die vollständig aus SiC bestehen, diese strengen Standards dank der branchenführenden Stärken bei Stromteilung und Gate-Treibern.

Hohe Effizienz

SiC-Leistungshalbleiter mit breiter Bandlücke weisen im Vergleich zu Silizium-Halbleitern deutlich geringere Verluste auf, was höhere Schaltfrequenzen und kleinere passive Komponenten ermöglicht. Außerdem kann SiC extremen Temperaturen standhalten, ohne mit der Zeit an Leistung zu verlieren.

Diese Faktoren ermöglichen es Entwicklern, energieeffizientere, kompaktere und kostengünstigere Energieumwandlungssysteme mit SiC-Modulen zu bauen. Ihre leichte und dennoch flexible Bauweise hat zu einer Gewichtseinsparung von 20% bei Wechselrichtern für die Traktion von Eisenbahnwaggons geführt, die im japanischen Shinkansen-Zugsystem eingesetzt werden; auch Ladegeräte für Elektrofahrzeuge und Eisenbahnbatterien können von der höheren Effizienz und Leistung von SiC profitieren.

Das dünnere SiC-Material reduziert auch die Kommutierungsinduktivität und ermöglicht so höhere Schaltgeschwindigkeiten, die zu kleineren magnetischen Filterkomponenten und einer höheren Leistungsdichte führen. Eine höhere Schaltfrequenz senkt auch die Welligkeitsspannung für kürzere Rückkopplungsschleifen mit geringeren EMI-Werten; die geringeren Schaltverluste reduzieren die Leistungsverluste weiter und erhöhen die Temperaturstabilität.

Wolfspeed bietet ein umfangreiches Portfolio an Siliziumkarbid-Modulen, die den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht werden. Dazu gehören AC/DC-Leistungsfaktorkorrekturmodule, Abwärts-/Aufwärts-DC/DC-Module, bidirektionale AC/DC-Module und Hochfrequenz-DC/DC-Module, die den Entwicklern helfen, die Vorteile dieser Module zu nutzen. Das Portfolio von Wolfspeed umfasst auch Referenzdesigns und Evaluierungs-Toolkits zur Unterstützung des Designprozesses.

SiC ist eine attraktive Wahl, doch um sein volles Leistungspotenzial auszuschöpfen, müssen bestimmte mechanische Eigenschaften berücksichtigt werden. Zu diesen Herausforderungen gehören thermische Belastungen, hohe Betriebstemperaturen und eine begrenzte Wechselstromfähigkeit. Vincotechs fortschrittliche Die-Attach-Technologie bietet Lösungen, um diese Schwierigkeiten zu überwinden, indem sie die Lötstellen entlastet - das schwache Glied in SiC-Leistungsmodulen.

Die Technologie des Unternehmens nutzt eine patentierte Lötlegierung, um sicherzustellen, dass die Leistungsmodule langfristigen thermischen Belastungen standhalten, ohne die Siliziumwafer zu beschädigen, wodurch die Zykluslebensdauer erhöht und das Ausfallrisiko in anspruchsvollen medizinischen Stromversorgungsanwendungen verringert wird. Darüber hinaus stärkt diese fortschrittliche Technologie die Verbindung zwischen SiC-Chips und Metallsubstraten, wodurch die Zyklenfestigkeit von SiC-Chips weiter erhöht wird.

Robustheit

Siliziumkarbid (SiC) kann als Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke zahlreiche Vorteile bei Anwendungen zur Energieumwandlung bieten. Zu diesen Vorteilen gehören ein höherer Wirkungsgrad, niedrigere Kosten und eine geringere Größe - um diese potenziellen Vorteile zu nutzen, müssen jedoch verschiedene technische Hürden überwunden werden.

SiC-Leistungsmodule stellen eine zusätzliche Herausforderung dar, wenn es darum geht, ihre Leistungszyklenfähigkeit zu erhöhen. Leistungswechseltests simulieren reale Ereignisse, die die internen Mechanismen und Materialien der Geräte belasten. In der Industrie werden Power-Cycling-Tests als Maßstab für die Leistung der Geräte unter verschiedenen Bedingungen verwendet. Bei diesen Tests werden die Geräte mit einer Wechselstromprüfmaschine mit Hochspannungs-Wechselstrom beaufschlagt, was zu dissipativen Vorgängen führt, die die Temperatur erheblich erhöhen; höhere Temperaturen erfordern größere Energiemengen, damit die Geräte vom sperrenden in den leitenden Zustand wechseln können.

Erhöhte Schaltenergie führt zu Wärmeentwicklung, verkürzt die Lebensdauer der Geräte und erhöht das Risiko eines Kurzschlusses oder eines Avalanche-Durchbruchs. Unter solchen Bedingungen kann es zu SC-Fehlern oder Avalanche-Durchbrüchen kommen, wodurch diese Bauelemente funktionsunfähig werden und schließlich ganz ausfallen.

Zu den herkömmlichen Lösungen gehörte das Hinzufügen zusätzlicher Komponenten in die Schaltkreise, um die Geräte zu schützen, was jedoch die Gesamtkosten und die Komplexität der Stromrichter erhöht. Daher hat Danfoss eine innovative neue Bond- und Verbindungstechnologie entwickelt, die als Bond Buffer bekannt ist und diese Probleme effektiv löst.

Bei dieser patentierten Technik werden die Lötstellen in den Modulen durch Kupferdrähte und gesinterte Die Attachments ersetzt, so dass die Module bei höheren maximalen Sperrschichttemperaturen betrieben werden können, ohne dass sich die Stromstärke verschlechtert, und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und die Fähigkeit zur Leistungsänderung verbessert wird.

Vincotechs SiC-Modulplattform vereint die Geschwindigkeit und Effizienz von Siliziumkarbid-MOSFETs mit dem Industriestandard 62 mm Gehäuse für maximalen Anwendernutzen in Anwendungen mit niedriger Induktivität, wie z.B. industrielle Motorantriebe, EV-Ladegeräte oder batteriebetriebene Anwendungen.

Die SiC-Module von Vincotech haben im Vergleich zu Konkurrenzprodukten mit konventionellen Lötlegierungen eine überlegene Fähigkeit zur Leistungssteigerung gezeigt. Diese Verbesserung kann auf die verbesserte Fähigkeit zurückgeführt werden, thermische Energie effizient zu absorbieren und abzuleiten.