Der Marktforschungsbericht von Yole Development zeigt, dass seit der Entwicklung von Silizium-Leistungshalbleiterbauelementen die Anforderungen an die Anwendungen zu einem Anstieg der Sperrschichttemperatur geführt haben, die mittlerweile 150°C erreicht hat.

Mit dem Aufkommen von Halbleiterbauelementen der dritten Generation mit großer Bandlücke (wie z. B. SiC) und deren zunehmender Reife und vollständiger Kommerzialisierung beschleunigt deren einzigartige Hochtemperaturbeständigkeit die Erhöhung der Sperrschichttemperatur von derzeit 150 °C auf 175 °C und wird in Zukunft 200 °C erreichen.

Dank der einzigartigen Hochtemperatureigenschaften und der geringen Schaltverluste von Siliziumkarbid (SiC) wird dieser Trend zu steigenden Sperrschichttemperaturen die Konstruktion von Stromversorgungssystemen grundlegend verändern. Zu diesen typischen, zukunftsorientierten Anwendungen mit hohen Temperaturen und hoher Leistungsdichte zählen hochintegrierte Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge, multielektrische und vollelektrische Flugzeuge sowie Elektroflugzeuge, mobile Energiespeicher-Ladestationen und Powerbanks sowie diverse Anwendungen, bei denen die Flüssigkeitskühlung nur eingeschränkt möglich ist.

Der Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen (Motor, elektronische Steuerung und Getriebe) entwickelt sich zwar hin zu einer Drei-in-Eins-Lösung, ist aber aktuell nur strukturell miteinander verbunden und schwach integriert. Strukturell betrachtet ist eine tiefe Integration des Antriebsstrangs zukünftig unausweichlich, da sich dadurch das Volumen, das Gewicht und der Eigenverbrauch um etwa ein Drittel reduzieren und die Gesamtkosten um das Zwei- bis Vierfache senken lassen.

Die elektronische Steuerung wird jedoch eng mit dem Motor integriert, und diese tiefe Integration wird die Leistungsdichte erheblich erhöhen. Die größte, unvermeidbare Herausforderung stellt die hohe Temperatur dar.

Typische Hochtemperaturanwendungen

Bei traditionellen Flugzeugen werden mechanische Bewegungen wie Seitenruder, Tragflächen und Fahrwerk über klassische Hydraulikgetriebe gesteuert. Hydrauliköl ist als Flüssigkeit stark von Umwelteinflüssen abhängig und verursacht hohe Wartungskosten. Aktuell geht der Trend hin zur teilweisen oder vollständigen Elektrifizierung, dem Konzept des multielektrischen und vollelektrischen Flugzeugs.

Der Einsatz von Elektromotoren anstelle von Hydraulikkreisläufen im Flugzeug zur Realisierung des mechanischen Betriebs bietet hohe Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit und ermöglicht redundante Systeme. Das größte Problem besteht jedoch darin, dass die Motoren und elektronischen Steuerungen im Flugzeug nicht wassergekühlt werden dürfen und daher nur auf Zwangsluftkühlung und natürliche Kühlung angewiesen sind. Um die elektronische Steuerung von multielektrischen, vollelektrischen oder gar rein elektrischen Flugzeugen zu realisieren, muss daher zunächst die hohe Temperaturstabilität bewältigt werden.

Darüber hinaus werden in vielen Anwendungsszenarien halbmobile Energiespeicher-Ladestationen und vollständig mobile Powerbanks die Lücke des stationären Ladens effektiv schließen, insbesondere mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen wird dies noch deutlicher werden.

Bei dieser Art von mobiler Ladeanwendung führt die Wasserkühlung jedoch nicht nur zu zusätzlichem Gewicht und Volumen, sondern verbraucht vor allem die gespeicherte elektrische Energie. Daher ist natürliche Kühlung für die elektronische Steuerung die beste Methode, wobei das Wärmemanagement des Steuerungssystems sorgfältig geregelt werden muss.

Neben den drei oben genannten typischen Hochtemperaturanwendungen stehen elektronische Steuerungssysteme in vielen speziellen Industrieanwendungen, in denen die Flüssigkeitskühlung stark eingeschränkt ist, vor denselben Herausforderungen. Hochtemperatur-Steuerungstechnik ist der Schlüssel zur Realisierung dieser Anwendungen. Ihre Kerntechnologie besteht in der Hochtemperatur-Gehäusetechnologie für SiC-Leistungshalbleiter und der dazugehörigen Hochtemperatur-Ansteuerschaltungstechnik.

„Genie“ SiC

SiC-Materialien und ihre Bauelementstrukturen weisen eine inhärente hohe Temperaturbeständigkeit auf und halten unter Vakuumbedingungen sogar Temperaturen von 400 bis 600 °C stand. Um Oxidation durch Luftkontakt zu verhindern, müssen SiC-Bauelemente in der Praxis verkapselt werden. Für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen sind hochtemperaturbeständige Gehäuse erforderlich.

Eine Sperrschichttemperatur von 150 °C gilt derzeit als höchster Industriestandard. Der Bereich um 175 °C wird erst seit Kurzem erforscht. Es gibt quasi-standardisierte Gehäuse, die verwendet werden können. Gehäuse für Temperaturen von 200 °C oder höher unterliegen sehr strengen Anforderungen an Verpackungsmaterialien und -prozesse und müssen individuell an die Eigenschaften des Chips angepasst werden, um die erforderliche Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung zu gewährleisten.

Die Anwendung von SiC-Leistungshalbleitern und -Modulen ist untrennbar mit Treiberschaltungen und den dazugehörigen Chips verbunden. Die meisten Treiberschaltungschips sind jedoch herkömmliche Siliziumbauelemente und nicht für hohe Temperaturen geeignet. Selbst wenn sie 1,000 Stunden lang bei hohen Temperaturen wie 175 °C funktionieren, ist dies eine Seltenheit.

Darüber hinaus ist die Hochtemperaturbeständigkeit nur ein Aspekt des Problems. Schwerwiegender ist die Konstanz der Bauteilleistung bei hohen Temperaturen. Die Leistung herkömmlicher Siliziumbauelemente nimmt oberhalb von 70 °C sehr schnell ab, sodass sie für den Einsatz bei hohen Temperaturen ungeeignet sind.

Nach über 20 Jahren innovativer Forschung und Entwicklung sowie Anwendungstests haben die SOI-Spezialsiliziumbauelemente von Cissoid eine herausragende Hochtemperaturbeständigkeit erreicht. Sie können 15 Jahre lang bei 175 °C kontinuierlich betrieben werden und weisen über den gesamten Temperaturbereich eine exzellente Leistungskonstanz auf. Sie bilden die Grundlage für SiC-Hochtemperaturanwendungen.

Das „Temperatur“-Dilemma überwinden

Die SOI-basierte Spezial-Siliziumhalbleitertechnologie von Cissoid überwindet die Temperaturabhängigkeit von Siliziumhalbleiterbauelementen und vermeidet den Einfluss des Temperatureffekts (die intrinsische Ladungsträgerkonzentration steigt mit der Temperatur) und des Sperrschichttemperatureffekts (die effektive Sperrschichtbarriere sinkt mit der Temperatur). Sie ist nicht nur hochtemperaturbeständig und langlebig, sondern bietet auch über den gesamten Temperaturbereich eine gleichbleibend hohe Leistungsfähigkeit.

Daher werden die Hochtemperatur-Halbleiterbauelemente von Cissoid seit langem in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Erdölexploration eingesetzt und verfügen über fast 20 Jahre Erfahrung in Hochtemperaturanwendungen.

Angesichts der zunehmenden Beliebtheit von SiC-Leistungshalbleitern der dritten Generation hat Cissoid in den letzten Jahren hochtemperaturbeständige Treiberchips und Lösungen für SiC-MOSFETs entwickelt. Dank dieser einzigartigen Hochtemperaturbeständigkeit kann der Treiberchip so nah wie möglich am SiC-Leistungsmodul platziert werden, um die parasitäre Induktivität der Treiberschaltung zu minimieren. Dadurch werden Überschwingen effektiver unterdrückt und ein optimaler Wirkungsgrad erzielt.

Für elektrische Antriebsanwendungen in Elektrofahrzeugen und vollelektrischen/multielektrischen Flugzeugen hat Cissoid kürzlich ein dreiphasiges, vollbrückenfähiges 1200-V-SiC-MOSFET-Leistungsmodul (IPM) auf den Markt gebracht, das als skalierbare Plattform dient. Dieses System nutzt verlustarme Schalttechnologie und bietet so eine integrierte Lösung, das sogenannte IPM.

IPM besteht aus einer Gate-Ansteuerschaltung und einem dreiphasigen Siliziumkarbid-Leistungsmodul. Das Zusammenspiel beider Komponenten wurde optimiert und aufeinander abgestimmt, um die Vorteile von SiC-Bauelementen voll auszuschöpfen.

Das aktuell produzierte Modul CXT-PLA3SA12450AA ist für eine Sperrschichttemperatur von bis zu 175 °C ausgelegt, und die Gate-Treiberschaltung kann in einer Umgebung bis zu 125 °C betrieben werden. Darüber hinaus lässt sich die Betriebstemperatur je nach Anwendungsbedingungen und -szenario durch den Einsatz hochwertigerer passiver Bauelemente sowie durch die Anpassung der Gehäuse der Hauptchips und Module weiter verbessern.

Seit der Entwicklung von Silizium-Halbleiterbauelementen sind Hochtemperaturanwendungen der Schlüssel zu deren Einsatzmöglichkeiten.

Cissoids innovative SOI-Siliziumchip-Technologie hat eine Vorreiterrolle bei der Erzielung bedeutender Durchbrüche bei diskreten Hochtemperatur-Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen im kleinen Maßstab eingenommen.

Da Halbleiter der dritten Generation, wie beispielsweise SiC-Leistungshalbleiterbauelemente, immer ausgereifter und beliebter werden, bilden ihre inhärente Hochtemperaturbeständigkeit und die Hochtemperatur-Halbleiterbauelemente von Cissoid eine sehr gute Kombination, was die Struktur der Stromversorgungssysteme grundlegend verändern und den Entwicklungsingenieuren neue Möglichkeiten zur Weiterentwicklung eröffnen wird.

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