Zunehmende Verbreitung:
Die SiC-Technologie befindet sich auf einem steigenden Markt. Die Produktverfügbarkeit hat sich zusammen mit der Vielfalt der Optionen verschiedener Komponentenhersteller deutlich erhöht. Der Markt hat sich in den letzten drei Jahren verdoppelt und wird Prognosen zufolge in den nächsten zehn Jahren um das Zwanzigfache auf über 10 Milliarden US-Dollar wachsen. Die Anwendung erstreckt sich über Hybrid- und Elektrofahrzeuge (H/EV) hinaus auf Motoren- und Leistungssteuerungssysteme in Zügen, Nutzfahrzeugen, Industrieanlagen und der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge. Auch Zulieferer in der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigungsindustrie treiben die Qualität und Zuverlässigkeit von SiC voran, um die hohen Anforderungen an die Robustheit der Komponenten in diesen Sektoren zu erfüllen.
Ein zentraler Bestandteil eines SiC-Entwicklungsprogramms ist die Validierung der Zuverlässigkeit und Robustheit von SiC-Bauelementen, da diese je nach Anbieter erheblich variieren. Angesichts des wachsenden Trends zu einem ganzheitlichen Systemansatz müssen Entwickler auch den Umfang des Produktangebots der Zulieferer bewerten. Es ist wichtig, dass Entwickler mit Zulieferern zusammenarbeiten, die flexible Lösungen wie Chip-, diskrete Bauelemente- und Moduloptionen anbieten, unterstützt durch globale Distribution, Support und umfassende Simulations- und Entwicklungswerkzeuge. Entwickler, die ihre Designs zukunftssicher gestalten wollen, müssen auch die neuesten Möglichkeiten erkunden, wie zum Beispiel programmierbare digitale Gate-Controller, die frühere Implementierungsherausforderungen angehen und es ermöglichen, die Systemleistung per Knopfdruck anzupassen.
Schritt 1: Drei Schlüsseltests.
Drei Tests liefern die Daten zur Bewertung der Zuverlässigkeit von SiC-Bauelementen: Lawinenfestigkeit, Kurzschlussfestigkeit und die Zuverlässigkeit der Body-Diode des SiC-MOSFETs.
Eine ausreichende Lawinenfestigkeit ist entscheidend: Selbst eine geringfügige Fehlfunktion eines passiven Bauteils kann transiente Spannungsspitzen verursachen, die die Nennspannung überschreiten und letztendlich zum Ausfall des Bauelements oder möglicherweise des gesamten Systems führen. SiC-MOSFETs mit ausreichender Lawinenfestigkeit reduzieren den Bedarf an Schutzschaltungen und verlängern die Lebensdauer von Anwendungen. Hochwertige Modelle weisen eine hohe UIS-Festigkeit von bis zu 25 Joule pro Quadratzentimeter (J/cm²) auf. Diese Bauelemente zeigen selbst nach 100.000 wiederholten UIS-Testzyklen nur geringe parametrische Verschlechterungen.
Der zweite Schlüsseltest ist die Kurzschlussfestigkeit (SCWT), also die maximale Zeit, bevor das Bauelement unter einer Rail-to-Rail-Kurzschlussbedingung ausfällt. Das Ergebnis sollte dem von IGBTs in Leistungswandlungsanwendungen ähneln, die meist eine SCWT von 5 bis 10 Mikrosekunden (µs) aufweisen. Eine ausreichende SCWT ermöglicht es Systemen, Fehlerzustände ohne Systemschäden zu bewältigen.
Ein dritter wichtiger Parameter ist die Durchlassspannungsstabilität der intrinsischen Diode des SiC-MOSFETs. Diese kann je nach Hersteller erheblich variieren. Ohne geeignetes Gerätedesign, Bearbeitung und Materialien kann sich die Leitfähigkeit dieser Diode im Betrieb verschlechtern, was zu einem Anstieg des Drain-Source-Widerstands im eingeschalteten Zustand (RDSon) führt. Abbildung 1 verdeutlicht die bestehenden Unterschiede. In einer Studie der Ohio State University wurden MOSFETs von drei Herstellern untersucht. Am einen Ende des Spektrums zeigten alle Geräte von Hersteller B eine Verschlechterung des Durchlassstroms, während am anderen Ende bei den MOSFETs von Hersteller C keine Verschlechterung beobachtet wurde.
Abbildung 1: Durchlasskennlinien von SiC-MOSFETs, die die Unterschiede in der Diodenkörperverschlechterung je nach Hersteller zeigen. Quelle: Dr. Anant Agarwal und Dr. Min Seok Kang, Ohio State University.
Sobald die Zuverlässigkeit der Geräte bestätigt ist, besteht der nächste Schritt darin, das Ökosystem rund um diese Geräte zu evaluieren, einschließlich der Produktvielfalt, einer stabilen Lieferkette und der Unterstützung bei der Entwicklung.
Lieferung, Support und Systemdesign:
Angesichts der wachsenden Anzahl von SiC-Anbietern unterscheiden sich die heutigen SiC-Unternehmen hinsichtlich ihrer Geräteoptionen sowie ihres Know-hows und ihrer Infrastruktur zur Unterstützung und Belieferung anspruchsvoller SiC-Märkte wie der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie.
Stromversorgungssysteme werden kontinuierlich verbessert, sowohl im Laufe der Zeit als auch innerhalb verschiedener Designgenerationen. SiC-Anwendungen bilden hier keine Ausnahme. Frühe Designgenerationen nutzen häufig weit verbreitete, standardisierte diskrete Leistungshalbleiter in gängigen SMD- oder THT-Gehäusen. Mit zunehmender Anzahl an Anwendungen und dem Fokus der Entwickler auf die Reduzierung von Größe, Gewicht und Kosten verlagern sie ihre Designs typischerweise auf integrierte Leistungsmodule oder entscheiden sich für eine Dreierpartnerschaft. Diese Dreierpartnerschaften umfassen das Endprodukt-Designteam, einen Modulhersteller und einen SiC-Chip-Lieferanten. Jeder spielt eine entscheidende Rolle bei der Erreichung der Gesamtziele des Designs.
Lieferkettenprobleme sind ein zentrales und berechtigtes Anliegen im schnell wachsenden SiC-Markt. Das SiC-Substratmaterial ist die teuerste Komponente im SiC-Chip-Herstellungsprozess. Darüber hinaus erfordert die SiC-Fertigung Hochtemperaturanlagen, die für die Entwicklung von Silizium-basierten Leistungselektronikprodukten und integrierten Schaltungen (ICs) nicht benötigt werden. Entwickler müssen sicherstellen, dass SiC-Lieferanten über ein robustes Lieferkettenmodell mit mehreren Produktionsstandorten verfügen, um im Falle von Naturkatastrophen oder größeren Leistungsproblemen die Nachfrage stets decken zu können. Viele Komponentenhersteller erreichen zudem das Ende des Lebenszyklus älterer Gerätegenerationen. Dies zwingt Entwickler, Zeit und Ressourcen in die Überarbeitung bestehender Anwendungen zu investieren, anstatt innovative neue Designs zu entwickeln, die die Endproduktkosten senken und den Umsatz steigern würden.
Auch die Unterstützung im Designprozess ist entscheidend. Dazu gehören Simulationstools und Referenzdesigns, die die Entwicklungszyklen verkürzen. Dank Lösungen zur Steuerung und Ansteuerung von SiC-Bauelementen können Entwickler neue Funktionen, wie z. B. verbesserte Schaltvorgänge, erkunden und so den Wert eines ganzheitlichen Systemansatzes voll ausschöpfen. Abbildung 2 zeigt ein SiC-basiertes Systemdesign mit einem integrierten programmierbaren digitalen Gate-Controller, der die Produktionszeit weiter verkürzt und neue Möglichkeiten zur Designoptimierung eröffnet.
Abbildung 2: Moduladapterplatinen in Kombination mit Gate-Treiberkernen bieten eine Plattform zur schnellen Evaluierung und Optimierung neuer SiC-Leistungsbauelemente durch erhöhte Schaltfrequenzen.
Neue Optionen zur Designoptimierung
Programmierbare digitale Gate-Treiber maximieren die Vorteile von SiC durch optimierte Schaltvorgänge. Sie ermöglichen die einfache Konfiguration von Ein- und Ausschaltzeiten sowie Spannungspegeln von SiC-MOSFETs. Dadurch können Entwickler die Schaltvorgänge beschleunigen und die Systemeffizienz steigern, während gleichzeitig der Zeitaufwand und die Komplexität der Gate-Treiberentwicklung reduziert werden. Anstatt die Leiterplatte manuell zu modifizieren, können Entwickler ihre SiC-basierten Designs per Knopfdruck mithilfe von Konfigurationssoftware optimieren. Dies macht sie zukunftssicher, beschleunigt die Markteinführung und verbessert Effizienz und Fehlersicherheit.
Abbildung 3: Der Einsatz programmierbarer digitaler Gate-Treiber zur Implementierung der neuesten erweiterten Schalttechniken trägt zur Lösung von SiC-Rauschproblemen bei, beschleunigt die Reaktion auf Kurzschlüsse, hilft bei der Bewältigung von Überspannungsproblemen und minimiert die Überhitzung.
Frühe Anwender von SiC profitieren bereits in der Automobil-, Industrie- sowie Luft- und Raumfahrtbranche, während sich der Einsatz auf immer mehr Anwendungsbereiche ausweitet. Der Erfolg wird weiterhin maßgeblich von der Fähigkeit abhängen, die Zuverlässigkeit und Robustheit von SiC-Bauelementen zu validieren. Entwickler, die eine Gesamtlösungsstrategie verfolgen, benötigen Zugang zu umfassenden Portfolios, die durch eine vollständige und zuverlässige globale Lieferkette sowie alle notwendigen Simulationswerkzeuge für Design und Entwicklung unterstützt werden. Darüber hinaus eröffnen sich ihnen dank neuer softwarekonfigurierbarer Designoptimierungsfunktionen, die programmierbare digitale Türsteuerungen ermöglichen, neue Möglichkeiten, ihre Investitionen zukunftssicher zu gestalten.
Von Orlando Esparza, Direktor für strategisches Marketing bei Microchip
