Untersuchungen zu Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern für Wechselrichter mit erhöhten Anforderungen

Beschreibung

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.