ZUR SOFORTIGEN VERÖFFENTLICHUNG Nr. 3129

Bei diesem Text handelt es sich um eine Übersetzung der offiziellen englischen Version dieser Pressemitteilung, die nur als Hilfestellung und Referenz bereitgestellt wird. Ausführliche und/oder spezifische Informationen entnehmen Sie bitte der englischen Originalversion. Im Falle von Abweichungen hat der Inhalt der englischen Originalversion Vorrang.

Mitsubishi Electric entwickelt SiC-Leistungsbauelement mit der höchsten Energieeffizienz

Das SiC-Leistungsbauelement trägt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Energieeffizienz von Leistungselektronikanlagen in Bereichen wie der Haushaltselektronik bis hin zu industriellen Maschinen bei.

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TOKIO, 22. September 2017 – Mitsubishi Electric Corporation (TOKIO: 6503) gab heute die Entwicklung eines Siliziumkarbid-Leistungsbauelements (SiC) bekannt, das vermutlich die weltweit höchste Energieeffizienz* bei einem Bauelement dieser Art bietet. Das neu entwickelte Gerät ist für die Installation in Leistungsmodulen vorgesehen und benötigt keine Hochgeschwindigkeits-Schutzschaltung zur Unterbrechung der Stromzufuhr, wenn Überstrom erkannt wird. Das neue Bauelement wird zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Energieeffizienz von Leistungselektronikanlagen beitragen, die in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen, z. B. in der Haushaltselektronik, in industriellen Maschinen und im Eisenbahnbetrieb, genutzt werden.

* Gemäß Forschungsergebnissen von Mitsubishi Electric verfügte das neue SiC-Bauelement zum Zeitpunkt dieser Mitteilung gegenüber anderen Leistungsbauelementen der 1.200-V-Klasse mit einer Kurzschlusszeit von über 8 μs über die weltweit beste Energieeffizienzklasse.

Die Entwicklung des neuen SiC-Bauelements durch Mitsubishi Electric wurde erstmals bei der International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2017 (ICSCRM 2017) vom 17.–22. September 2017 in Washington, D.C., USA, bekanntgegeben.

Die überlegene Zuverlässigkeit und Effizienz des neuen Bauelements ist das Ergebnis einer neuen proprietären Quellenstruktur. In herkömmlichen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, die auch als MOSFETs bekannt sind, wird der Quellenbereich als ein einziger Bereich gebildet. Mitsubishi Electric hat nun jedoch einen zusätzlichen Bereich im Quellenbereich eingeführt, um den Quellenserienwiderstand des SiC-MOSFET (siehe Abb. 1) zu steuern. Durch die Einführung dieser Struktur wird das Auftreten von übermäßigen, durch Kurzschlüsse verursachten Stromflüssen reduziert. Folglich wird der Anschaltwiderstand des SiC-MOSFET bei Raumtemperatur bei der allgemeinen Kurzschlusszeit für Si-Halbleiter-Leistungsbauelemente um 40 Prozent und der Stromverlust um mehr als 20 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen SiC-MOSFET-Bauelementen verringert (siehe Abb. 2).**

** Der Begriff „Anschaltwiderstand“ bezieht sich auf einen der charakteristischen Werte eines Halbleiter-Leistungsbauelements und wird als Produkt des Bauelementbereichs und von dessen Widerstand angegeben. Der Anschaltwiderstandswert sinkt, wenn die Größe oder der Widerstand eines Bauelements verringert wird. Der Wert von 40 Prozent wurde durch den Vergleich des Anschaltwiderstands des neuen Bauelements mit dem unseres herkömmlichen 1.200-V-SiC-MOSFET ermittelt.

Durch eine vereinfachte Schaltungsbauweise kann die Technologie auf sämtliche SiC-MOSFETs mit verschiedenen Betriebsspannungen angewendet werden. Bewährte Schaltungstechnik wird eingesetzt, um Siliziumbauteile im Falle von Kurzschlüssen vor Beschädigung zu schützen, und kann unverändert auf bestehende SiC-MOSFETs angewendet werden. Dadurch wird die einfache Implementierung von Schutzfunktionen in Leistungselektronikanlagen mit SiC-MOSFETs gewährleistet.

Zukünftige Weiterentwicklung

Die Entwicklungsteams von Mitsubishi Electric werden das neue Bauelement noch weiter verbessern. Die Markteinführung des neuen Bauelements ist ab dem Jahr 2020 geplant.

Hintergrund

Halbleiter-Leistungsbauelemente sind wichtige Komponenten der Leistungselektronikanlagen, die in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen, z. B. in der Haushaltselektronik, in industriellen Maschinen und in Zügen, genutzt werden. Durch die Nutzung von SiC-MOSFETs als Halbleiter-Leistungsbauelemente erreicht Mitsubishi Electric eine hohe Energieeffizienzklasse und wird den Anforderungen nach höherer Energieeffizienz und geringerer Größe gerecht, die in diesen Bereichen von ausschlaggebender Bedeutung sind.

Kurzschlüsse in Leistungselektronikanlagen können zu großen Überstromflüssen in Halbleiter-Leistungsbauelementen führen, was eine Beschädigung oder einen Ausfall der Bauelemente zur Folge haben kann. Um dies zu verhindern, muss Überstrom so schnell wie möglich unterbrochen werden. Die „Kurzschlusszeit“ ist der Zeitraum, während dessen ein Bauelement Überstrom standhalten kann. Da der Widerstand eines SiC-MOSFET geringer als der eines Si-Bauelements ist, ist der auftretende Überstrom in der Regel relativ groß. Dadurch wird die Kurzschlusszeit verkürzt. Um SiC-MOSFETs vor Beschädigungen zu schützen, muss Überstrom in diesen Bauelementen schneller unterbrochen werden, als bei einem Si-Bauelement. Dies wird in der Regel durch den Einbau spezieller Schutzschaltungen für SiC-MOSFETs erreicht.

Außerdem gibt es einen Ausgleich zwischen der Kurzschlusszeit und dem Anschaltwiderstand. Eine lange Kurzschlusszeit erfordert einen hohen Anschaltwiderstand und eine große Chipgröße. Schon seit Langem werden Verbesserungen dieses Ausgleichs gefordert.

Die Struktur des neu entwickelten SiC-Leistungsbauelements reduziert den Kurzschlussstrom durch den erhöhten Widerstand infolge des durch den Kurzschluss induzierten Temperaturanstiegs. Gleichzeitig wird der Anschaltwiderstand bei normalen Betriebstemperaturen niedrig gehalten. Diese Technologie kann zur Verbesserung des Ausgleichs zwischen Kurzschlusszeit und Anschaltwiderstand beitragen. Daher bietet ein SiC-MOSFET, das mit der neu entwickelten Struktur ausgestattet ist, gleichzeitig hohe Zuverlässigkeit, hohe Energieeffizienz und eine geringere Größe.

Details

1)
Erzielung hoher Zuverlässigkeit und Effizienz durch eine neue Quellenstruktur
Eine neue Struktur zur Steuerung des Quellenwiderstands eines SiC-MOSFET wurde entwickelt, indem eine Quellenstruktur bestehend aus verschiedenen Teilen verwendet wurde. Bei ähnlichen Anschaltwiderstandsstufen lässt das neue Bauelement die Art von großen Kurzschlussströmen zu, die einen Bauelementausfall unterbinden können. Dadurch wird eine längere Kurzschlusszeit des Bauelements erreicht.
Basierend auf der allgemeinen Kurzschlusszeit für Si-Halbleiter-Leistungsbauelemente ist der Anschaltwiderstand in dem neuen Bauelement 60 Prozent niedriger als der von gängigen Si-Halbleiter-Leistungsbauelementen und 40 Prozent niedriger als der eines SiC-MOSFET mit einer herkömmlichen Struktur.
2)
Vereinfachung der Schaltungsbauweise
Bei Leistungselektronikanlagen wird durch eine lange Kurzschlusszeit eine weniger komplexe Schaltungsbauweise ermöglicht, was wiederum die Zuverlässigkeit erhöht. Das neu entwickelte Bauelement kann in SiC-MOSFETs mit verschiedenen Sperrspannungen bereitgestellt und problemlos mit den bestehenden, für Si-Halbleiter-Leistungsbauelemente verwendeten Kurzschluss-Schutzschaltungen betrieben werden.

Hinweis: Die Pressemitteilungen sind zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung korrekt. Sie können jedoch ohne vorherige Ankündigung geändert werden.