Verbindungshalbleiter mit großer Bandlücke lösen in einigen Bereichen der Elektronik Silizium immer mehr ab. Besonders etabliert haben sich in den letzten Jahren Bauelemente auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis. Doch wo liegen die grundlegenden Unterschiede zwischen beiden und welche Vorteile bieten sie im Automotive-Bereich?

Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC und GaN arbeiten bei deutlich höheren Frequenzen als Silizium. Dadurch fallen passive Bauelemente kleiner aus und der Wirkungsgrad steigt. (Bild: Onsemi)

Wide-Bandgap-Halbleiter, also Verbindungshalbleiter mit großer Bandlücke, zeigen besonders bei neuen, anspruchsvollen Anwendungen wie im Bereich der Elektromobilität ihre Stärken, denn sie erfüllen die strengen Spezifikationen oft besser, als Silizium dies könnte. Besonders GaN- und SiC-Bauelemente konkurrieren mit den bewährten Si-Leistungs-LDMOS-MOSFETs und den Super-Junction-MOSFETs. GaN und SiC sind sich in mancher Hinsicht ähnlich, weisen aber auch erhebliche Unterschiede auf. Dieser Beitrag vergleicht die beiden und bietet Fakten, die bei der Entscheidung für das nächste Design hilfreich sind.

Ohne auf die Halbleiterphysik mit Kristallgitterstrukturen und Energieniveaus weiter einzugehen, lässt sich vereinfacht sagen, dass Wide-Bandgap ein Modell ist, das versucht zu beschreiben, wie Strom (Elektronen) in einem Verbindungshalbleiter fließt. WBG-Verbindungshalbleiter haben eine hohe Elektronenbeweglichkeit und eine höhere Bandlückenenergie, wodurch sich eben die Eigenschaften ergeben, die sie Silizium gegenüber überlegen macht. Transistoren aus WBG-Halbleitern haben höhere Durchbruchspannungen und eine größere Toleranz gegenüber hohen Temperaturen.

Außerdem schalten WGB-Transistoren schneller und können mit höheren Frequenzen arbeiten als Silizium. Ein geringerer Durchlasswiderstand bedeutet, dass sie weniger Energie verbrauchen, was die Effizienz steigert. Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften macht die Bauelemente interessant für anspruchsvolle Schaltungen, wie sie die in Automotive-Anwendungen, insbesondere Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zu finden sind. GaN- und SiC-Transistoren werden immer weitläufiger verfügbar, um die Herausforderungen der elektrischen Ausrüstung von Fahrzeugen zu bewältigen.

GaN-Transistoren fanden schon früh eine Nische im Hochfrequenz-Leistungsbereich. Die Beschaffenheit der Materialien führte zur Entwicklung eines Feldeffekttransistors (FET) vom Verarmungstyp (D-Mode). Diese FETs werden als pseudomorpher Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (pHEMT) bezeichnet und sind selbstleitend (normal-ein), d.h. ohne Gate-Steuereingang existiert ein natürlicher Leitungskanal. Gate-Eingangssignale steuern die Kanalleitung und schalten das Bauelement ein und aus.

Da meist „normal-aus“, also selbstsperrende Enhancement-/E-Mode-Bauelemente in Schaltanwendungen bevorzugt zum Einsatz kommen, führte dies zur Entwicklung von E-Mode-GaN-Bauelementen. Das erste war eine Kaskode aus zwei FETs. Heute sind Standard-E-Mode-GaNs erhältlich. Sie können bei Frequenzen bis zu 10 MHz und bis in den hohen zweistelligen kW-Leistungsbereich schalten.

GaN-Bauelemente kommen häufig in Funkschaltkreisen als Leistungsverstärker bei Frequenzen bis zu 100 GHz zum Einsatz. Wesentliche Anwendungen finden sich für Mobilfunk-Basisstationen, militärisches Radar, Satellitensender und die allgemeine HF-Verstärkung. Aufgrund ihrer hohen Spannung (bis 1000 V), Temperaturfestigkeit und schnellen Schaltzeiten kommen sie auch in Schaltnetzteilen wie DC/DC-Wandlern, Wechselrichtern und Batterieladegeräten zum Einsatz.

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SiC-Transistoren sind von Natur aus E-Mode-MOSFETs. Sie können mit Frequenzen bis zu 1 MHz bei Spannungs- und Strompegeln schalten, die viel höher sind als bei Silizium-MOSFETs. Die maximale Drain-Source-Spannung beträgt bis zu 1800 V bei einer Strombelastbarkeit von 100 A. Darüber hinaus ist der Durchlasswiderstand von SiC-Bauelementen viel geringer als der von Silizium-MOSFETs, was sie in allen schaltenden Leistungselektronikanwendungen (SMPS-Designs) effizienter macht. Ein wesentlicher Nachteil ist, dass sie eine höhere Gate-Treiberspannung benötigen als andere MOSFETs, obwohl sich dies über verbesserte Designs ändert.

SiC-Bauelemente benötigen eine Gate-Spannung von 18 bis 20 V, um sie mit niedrigem Durchlasswiderstand einzuschalten. Standard-Si-MOSFETs benötigen nur ein Gate-Spannung von weniger als 10 V für volle Leitfähigkeit. Außerdem benötigen SiC-Bauelemente eine Gate-Ansteuerung von -3 bis -5 V für das Umschalten in den Aus-Zustand. Hierfür wurden spezielle Gate-Treiber-ICs entwickelt. SiC-MOSFETs sind im Allgemeinen teurer als andere Alternativen, aber ihre High-Voltage- und die hohe Stromtragfähigkeit machen sie für Automotive-Leistungselektronik sehr tauglich.

SiC-Bauelemente ersetzen in vielen Anwendungen IGBTs. Durch höhere Schaltfrequenzen (>100 kHz statt 20 kHz) verringert sich die Größe der Induktivitäten oder Transformatoren und der Wirkungsgrad steigt. SiC hat außerdem eine höhere Stromtragfähigkeit als GaN.

Zusammenfassend lässt sich sagen: GaN schaltet schneller als SiC, SiC arbeitet bei höheren Spannungen als GaN und SiC erfordert eine hohe Gate-Ansteuerspannung. Gerade für On-Board-Ladegeräte scheint SiC der Favorit zu sein. Dieser Trend wird sich zweifellos fortsetzen, da Entwickler die neueren Bauelemente entdecken und Erfahrungen mit ihnen sammeln.

Viele Leistungselektronik-Schaltungen und -Bauelemente lassen sich durch das Design mit GaN und SiC verbessern. Einer der größten Nutznießer ist die Fahrzeugelektrik. Aktuelle Hybrid− und vollelektrische Fahrzeuge enthalten Systeme, die diese Bauelemente nutzen können. Die bekanntesten Anwendungen sind OBCs, DC/DC-Wandler, Motortreiber und Lidar.

DC/DC-Wandler: Wandelt die hohe Batteriespannung in eine niedrigere Spannung, um andere elektrische Systeme zu betreiben. Die Batteriespannungen reichen heute bis zu 600 oder 900 V. Ein DC/DC-Wandler senkt diese für den Betrieb anderer elektronischer Komponenten auf 48 oder 12 V oder beides ab. In HEVs/EVs kann ein DC/DC-Wandler auch auf dem High-Voltage-Bus zwischen Batteriepack und Wechselrichter Verwendung finden.

On-Board-Ladegerät (OBC): Plug-in-HEVs und EVs enthalten ein internes Batterieladegerät, das an eine AC-Quelle angeschlossen wird. Dies ermöglicht das Laden zu Hause ohne externes AC/DC-Ladegerät.

Traktionsmotortreiber: Der Fahr-/E-Motor ist der Hochleistungs-Wechselstrommotor, der die Räder des Fahrzeugs antreibt. Der Treiber ist ein Wechselrichter, der die Batteriespannung in 3-phasigen Wechselstrom (Drehstrom) umwandelt, der den Motor antreibt.

Lidar: Eine Technik, die sowohl Licht- als auch Radarmethoden nutzt, um Objekte in der Umgebung zu erkennen und zu identifizieren. Dabei wird ein Bereich von 360° mit einem pulsierenden Infrarot-Laser abgetastet und das reflektierte Licht erfasst. Diese Informationen werden in ein detailliertes 3D-Bild der Szene bis auf etwa 300 m mit einer Auflösung von mehreren Zentimetern übertragen. Die hohe Auflösung macht Lidar zum idealen Sensor für Fahrzeuge, insbesondere für selbstfahrende (autonome) Fahrzeuge, um die Erkennung von Objekten in der Nähe zu verbessern. Lidar-Einheiten arbeiten mit einer Gleichspannung im Bereich von 12 bis 24 V, die von einem DC/DC-Wandler abgeleitet wird.

Aufgrund ihrer hohen Spannung, ihres hohen Stroms und ihrer schnellen Schaltzeiten bieten sowohl GaN- als auch SiC-Transistoren den Entwicklern im Automotive-Bereich fehlerverzeihende und einfachere Designs sowie eine überlegene Leistungsfähigkeit.

Der Beitrag beruht auf Unterlagen von Onsemi.

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