gesponsertNeue Herausforderungen meistern SiC Leistungshalbleiter für industrielle Anwendungen der Zukunft

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ROHM Semiconductor GmbH

SiC-Bauelemente bieten vielzählige Möglichkeiten: Sie helfen der Industrie, den Energieverbrauch zu senken und die Effizienz zu verbessern, was die Betriebskosten senkt.

SiC (Siliziumkarbid) hat eine große Bandlückenspannung von etwa 3,26 eV im Vergleich zu 1,12 eV bei Si-Halbleitern. Diese Eigenschaft bedeutet eine bis zu 10-mal höhere Durchbruchselektrolyse. Somit eignet es sich für Anwendungen mit höherer Durchbruchspannung. SiC kann bis zu viermal höheren Temperaturen standhalten als Silizium (Si); letzteres ist nur bis etwa 150 °C einsetzbar. SiC hat zudem eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, die 10-mal höher ist als die von Si, was eine effizientere Kühlung ermöglicht. Außerdem macht ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit dieses Material zur perfekten Wahl für thermisch resistente Bauelemente.

Leistungsvergleich von konventionellen Si- und IGBTs mit SiC-MOSFETs der vierten Generation

Die Leistungselektronik kennt zwei Schlüsselkomponenten: die IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) und die MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors). ROHM hat die SiC-MOSFET-Technologie weiterentwickelt (Abb. 2) und mit dem neu entwickelten SiC-MOSFET der vierten Generation haben die SiC-MOSFETs die Führung gegenüber den IGBTs übernommen.

SiC-MOSFETs werden bereits in Elektrofahrzeugen eingesetzt. ROHM führte Simulationen nach dem WLTC (Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle) durch, einem Testverfahren für den Kraftstoffverbrauch von Personenkraftwagen. Es wurde nachgewiesen, dass der SiC-MOSFET der vierten Generation den Gesamtstromverbrauch um etwa 6% und im Stadtbetrieb um etwa 10% verbessert. (Abb. 3 + 4, siehe Bildergalerie)

Bildergalerie

SiC-MOSFETs haben eine höhere Leistungsdichte als IGBTs und machen industrielle Systeme kompakter und effizienter. SiC-MOSFETs können die Schaltverluste um bis zu 50 % reduzieren und den Gesamtenergieverlust der Anwendung verringern. (Abb. 5, siehe Bildergalerie)

Darüber hinaus sorgen diese Bauteile für eine hocheffiziente Leistungsumwandlung in Industrieanlagen. Dies bedeutet: weniger Kühlungsbedarf durch weniger Energieverluste und somit weniger Abwärme. Ein geringerer Kühlaufwand trägt auch zu kompakteren, leichteren Systemen und niedrigeren Betriebskosten bei.

Anwendungen von SiC-Elektronik

SiC-Leistungshalbleiter bieten viele Vorteile dazu zählen z. B. eine höhere Schaltgeschwindigkeit, geringere Schaltverluste und Toleranz gegenüber höheren Betriebstemperaturen. Sie sind eine leistungsfähigere Alternative zu Si-Leistungshalbleitern und eignen sich daher ideal für Solarwechselrichter und andere Anwendungen. Sie werden zunehmend in Bereichen eingesetzt, die einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Schaltgeschwindigkeit erfordern, z. B. in Stromversorgungen. SiC-Module bieten außerdem kompakte Lösungen für die Leistungselektronik und sind für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien und Industrieanlagen unerlässlich. ROHM bietet dem Markt eine Vielzahl von Lieferformaten an, darunter Wafer, Chips, Diskrete und Module. (Abb. 6)

Darüber hinaus liefert das Unternehmen zusätzlich zu diesen SiC-Leistungshalbleitern Gesamtlösungen von Widerständen bis hin zu isolierten Gate-Treiber-ICs, Power-Management-ICs und Strommess-ICs. (Abb. 7)

Stabile Lieferketten garantieren

Die vergangenen Jahre haben gezeigt, wie empfindlich Lieferketten sein können. Um die Nachfrage seiner Kunden dauerhaft zu sichern, hat ROHM schon 2009 mit der Integration des SiC-Substratherstellers SiCrystal seine komplette Lieferkette ins Haus geholt. Investitionen werden weiterhin für ROHMs mittel- bis langfristiges Wachstum getätigt, wobei insgesamt 160 Milliarden Yen für das GJ2023 geplant sind.

Zum Beispiel hat ROHM kürzlich eine Grundsatzvereinbarung über den Erwerb des ehemaligen Solar-Werks in Japan getroffen. Die Übernahme soll im Oktober 2023 stattfinden und wird mit der größten Produktionsstätte der ROHM-Gruppe sein. „Diese Akquisition ermöglicht einen schnellen Produktionsstart durch die Nutzung der vorhandenen Infrastruktur. So wird ROHM in der Lage sein, die stark wachsenden Bedarfe seiner Kunden weiterhin zeitnah und zuverlässig zu beliefern", erklärt Wolfram Harnack, Präsident von ROHM Semiconductor Europe. ROHM strebt an, den Betrieb Ende 2024 aufzunehmen. ROHMs Gesamt-Investitionen im Geschäftsjahr 2022 erreichten den Rekordwert von 126,1 Milliarden Yen.

Individueller Kunden-Support

ROHM bietet seinen Kunden weitreichenden Support für die Integration seiner SiC Produkte an. Das umfasst Simulationsmodelle, Evaluationskits und technische Informationen in Form von Applikationsschriften sowie Unterstützung durch Expertenteams.

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