MLCC: Mehrschicht-Keramikkondensator für Halbleiter mit großer Bandlücke

Die Vorteile von Leistungshalbleitern mit weiter Bandlücke lassen sich nur dann nutzen, wenn auch die passiven Bauteile, besonders die Kondensatoren, eine ausreichende Weiterentwicklung erfahren haben.

Lange galten Halbleitermaterialien aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) als exotisch und teuer. Mit ihrem zunehmenden Einsatz und durch wachsende Märkte wird die Serienfertigung von SiC- oder GaN-Transistoren und -Dioden nun wirtschaftlich attraktiv in Anwendungen wie Motortreiber für Elektrofahrzeuge, Wechselrichter zur Netzeinspeisung und Stromversorgungen für Rechenzentren. Neben der verbesserten Zuverlässigkeit leistungselektronischer Schaltungen steht die Maximierung des Wirkungsgrades im Mittelpunkt. Um mit modernen Leistungshalbleitern erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

SiC-Dioden bieten eine viel kürzere Sperrverzögerungszeit (t_rr) als herkömmliche Silizium-Dioden, was schnelleres Schalten ermöglicht. Zusätzlich ist die Sperrverzögerungsladung viel niedriger, was zu geringeren Schaltverlusten führt. SiC-MOSFETs weisen auch keinen Deaktivierungsstrom auf, der das Abschaltverhalten herkömmlicher Silizium-IGBTs kennzeichnet. Damit lassen sich die Verluste beim Abschalten um bis zu 90% verringern, während eine höhere Schaltfrequenz möglich ist, was die Abhängigkeit von einer externen Kapazität für das Glätten verringert. Die große Bandlücke von SiC ermöglicht es, Hochvolt-Transistoren mit einem extrem schmalen Kanal zu entwickeln, was zu einem niedrigen R_DS(on) pro Flächeneinheit führt. SiC-Bauelemente weisen daher in Standard-Leistungselektronikbaugruppen geringere Leitungsverluste als vergleichbare Silizium-Bauelemente im gleichen Gehäuse auf.

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Durch Kombination von niedrigen Schalt- und Leitungsverlusten mit hoher Durchbruchsspannung sind Hochvolt-Schaltungen mit niedrigen Verteilungsströmen und damit verbundenen I²R-Verlusten möglich. Dies ist für beispielsweise Stromversorgungen in Rechenzentren besonders wichtig, da Server zunehmend eine höhere Leistung benötigen, um die steigende Rechenlast zu bewältigen. Immer mehr Teilnehmer, eine höhere Nachfrage nach Streaming-Diensten, Analyse und Speicherung in der Cloud sowie die Auswirkungen des stetig wachsenden Internet der Dinge (IoT) sind der Grund dafür.

Design-in-Auswirkungen auf andere Bauelemente

Da WBG-Halbleiterbausteine (WBG; Wide Band Gap, große Bandlücke) eine höhere Betriebsspannung und höhere Schaltfrequenzen ermöglichen, werden niedrigere externe Kapazitätswerte zum Filtern und Glätten der Spannungs- und Stromwelligkeit nötig. Auf der anderen Seite erfordern hohe Betriebsfrequenzen besondere Sorgfalt bei der Auslegung der Schaltung, um unerwünschte Effekte wie die Induktivität in Leiterbahnen oder Kabeln zu minimieren.

Was die Anforderungen an die Kondensatoren betrifft, so werden, obwohl die erforderlichen Kapazitätswerte niedriger sein können, hohe Spannungswerte ebenso wie kleine Gehäuse benötigt, da Leistungselektronik oft extremen Größenbeschränkungen unterliegt. Deshalb wollen Entwickler von Cloud-Servern die Leiterplattenfläche für Prozessoren und FPGAs für hohe Rechenlasten optimieren, während Entwickler von E-Fahrzeugen kleine Wechselrichter für die Gesamtabmessung des Fahrzeugs benötigen.

Die Entwicklung von WBG-Halbleitern erfordert auch Bauteile, die höheren Umgebungstemperaturen standhalten. SiC- oder GaN-Bauelemente können bei einer höheren Temperatur als herkömmliche Silizium-Bauelemente gleicher Zuverlässigkeit arbeiten. SiC-basierte Halbleiter, die heute auf dem Markt sind, lassen sich bei Spannungen von 400 bis 3500 V und Betriebstemperaturen von über 200 °C nutzen. Entwickler profitieren davon, um das Wärme-Management zu vereinfachen und die Gesamtkosten und Systemgröße zu verringern. Ein kleinerer, preiswerter Kühlkörper kann für einen Gerätehersteller erhebliche Einsparungen bringen. Betreiber von Rechenzentren profitieren von niedrigeren Kosten für die Serverraum-Klimatisierung; auch hilft ein kleineres Kühlsystem für einen EV-Wechselrichter, um das Gewicht und die Kosten des Fahrzeugs zu senken.

Da die höheren Schaltfrequenzen der WBG-Halbleiter kurze Leiterbahnen erfordern, um unerwünschte Induktivität zu minimieren, neigen Komponenten wie Kondensatoren dazu, näher an den heißen Leistungshalbleitern platziert zu werden. Daher sind nicht nur erhöhte Kapazitätswerte des Kondensators erforderlich, sondern auch eine größere Temperaturstabilität, um eine angemessene Kapazität bei der Betriebstemperatur sicherzustellen. Die äquivalente Serieninduktivität (ESL) und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) von Kondensatoren müssen ebenfalls niedrig sein, um Eigenerwärmung und hochfrequente induzierte Spannungen zu minimieren.