Die ersten serienmäßig hergestellten Voll-SiC-Leistungsmodule der Branche

22.03.2012

Voll-SiC-Leistungsmodule ROHM hat vor Kurzem die erste Massenproduktion von SiC-Leistungsmodulen bekannt gegeben (mit Nennwerten von 1200 V/100 A), die vollständig aus SiC-Leistungselementen bestehen. Die Integration von SiC-Wechselrichtern und -Wandlern zur Leistungsaufnahme in Industrieanlagen bietet zahlreiche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen IGBT-Modulen auf Siliziumbasis:
● Reduzierung von Schaltverlusten um 85 %
● Ca. 50 % weniger Volumen im Vergleich zu herkömmlichen Si-IGBT-Modulen der 400-A-Kategorie
● Niedrigere Wärmeerzeugung dank geringerer Verlustleistung, wodurch Umfang und Komplexität der Kühlmaßnahmen reduziert werden – somit wird eine bessere Miniaturisierung des Endprodukts erzielt.
Diese neuen Module werden voraussichtlich auch einen wichtigen Beitrag zur Behebung globaler Umweltprobleme leisten, u. a. zur Behebung der Ressourcenverknappung und des Ausstoßes von Treibhausgasen.

Aufgrund ihrer besseren Materialeigenschaften (d. h. geringere Verluste bei der Leistungsaufnahme) im Vergleich zu Silizium (Si) wird die SiC-Technologie voraussichtlich einen erheblichen Einfluss auf die Leistungselektronikbranche haben (z. B. Industrieanlagen, Solarzellen, Elektroautos und Züge). Wenn allein in Japan alle Si-Halbleiter gegen Halbleiter aus SiC ausgetauscht würden, würde die Energie von schätzungsweise umgerechnet 4 Kernkraftwerken eingespart werden*2. Als Reaktion darauf arbeitet ROHM seit mehreren Jahren an der Entwicklung von SiC-Produkten. Im Jahr 2010 war ROHM das weltweit erste Unternehmen, das SiC-SBDs und -MOSFETs serienmäßig herstellte.

Die Massenproduktion von SiC-Modulen, die zu einer effizienten Motorsteuerung und Leistungsaufnahme beitragen, wird voraussichtlich weltweit einen großen Einfluss auf Energieeinsparungen haben
*1: März 2012, Studie von ROHM
*2: Studie der Engineering Advancement Association of Japan: Einführung von SiC-Leistungshalbleitern in zentralen Bereichen Japans bis 2020
(Berechnung erfolgte durch Schätzung der Energieerzeugung eines Kernkraftwerks (Leistungsklasse 1 Mio. kW) auf 8,8 TWh pro Jahr)

Die Entwicklung von „Voll-Sic"-Modulen für den Einsatz in Leistungshalbleitern war jedoch bislang trotz erheblicher Anstrengungen verschiedener Halbleiterhersteller nicht möglich. Zurückzuführen war dies auf die niedrige Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen. Durch die Entwicklung einzigartiger Prüfverfahren und zuverlässiger Fehlerbehebungstechnologien konnte ROHM diese Probleme jedoch umgehen. Zudem hat das Unternehmen ein Kontrollsystem entwickelt, das die Verschlechterung von Eigenschaften bei hohen Temperaturen (bis zu 1700 °C) verhindert. Somit konnte das branchenweit erste Massenproduktionssystem für SiC-Leistungsmodule entwickelt werden.

Die neuen Module beinhalten eine hochmoderne SiC-SBD/SiC-MOSFET-Kombination aus zwei Elementen, die die Verlustleistung bei der Leistungsaufnahme um 85 % im Vergleich zu herkömmlichen Si-IGBT-Modulen reduziert. Zudem ist ein Hochfrequenzbetrieb von mindestens 100 kHz möglich, der mehr als 10 Mal höher ist als der von IGBT-Modulen. Und obwohl die Module eine Nennleistung von 100 A besitzen, machen ihre extrem schnelle Schaltfähigkeit, die reduzierte Verlustleistung und die verbesserte Wärmeableitung sie zu einem idealen Ersatz für Si-IGBT-Module mit Nennleistungen von 200–400 A. Durch Ersetzen eines herkömmlichen IGBT der 400-A-Kategorie kann die Größe um 50 % reduziert werden. Dank der geringeren Wärmeentwicklung sind weniger Kühlmaßnahmen erforderlich, was erheblich zur Miniaturisierung des Endprodukts beiträgt.

Der Beginn der Massenproduktion (und Auslieferung) ist für Ende März geplant.


Hauptmerkmale

1) Reduzierung von Schaltverlusten um 85 %
Durch die Integration hochmoderner SiC-SBD- und MOSFET-Elemente wird der Schaltverlust um 85 % reduziert im Vergleich zu herkömmlichen Si-IGBTs
Reduzierung von Schaltverlusten um 85 %
2) Kompaktes, flaches Gehäuse

Durch das optimierte Design und die verbesserten Prozesse werden hervorragende Wärmeableitungseigenschaften geschaffen, was zu einer Miniaturisierung der Halbleiter beiträgt.


Kompaktes, flaches Gehäuse

Schaltplan

Schaltplan

Terminologie

  1. IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode)
    Ein Bipolartransistor, bei dem ein MOSFET am Gate eingebaut ist.
  2. MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)
    Gängigster FET-Typ. Primärer Einsatz als Schaltelemente.
  3. SBD (Schottky-Diode)
    Eine Diode mit gleichrichtendem Charakter durch den Schottky-Übergang. Dieser entsteht durch den Kontakt zwischen einem Metall und einem Halbleiter. Da die Minoritätsladungsträger nicht zum Ladungstransport beitragen, sind die Eigenschaften der Diode ideal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet.
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