IGBTs der AE5-Generation Nächste Generation von Si-IGBTs für EVs

Für künftige EV-Wechselrichter werden ab der ersten Hälfte des Jahres 2023 die Si-IGBTs auf den 200- und 300-mm-Waferlinien in der Renesas-eigenen Fabrik in Naka/Japan in Serie produziert.

Mit dem siliziumbasierten AE5-Prozess für IGBTs lassen sich die Leistungsverluste im Vergleich zu den AE4-Produkten der aktuellen Generation um 10%reduzieren, meldet Renesas. Dies ermögliche es Entwicklern von Elektrofahrzeugen, Batterieleistung einzusparen und damit eine Reichweitenerhöhung zu erzielen. Zudem sind die neuen Bausteine bei gleichbleibend hoher Robustheit etwa 10% kleiner. Damit haben sie laut Renesas branchenweit das höchste Leistungsniveau für IGBTs, indem sie einen bestmöglichen Kompromiss zwischen geringer Verlustleistung und Robustheit gewährleisten. Aufgrund verringerter Parameterschwankungen zwischen den einzelnen IGBT-Produkten werde die Leistung und Sicherheit von Modulen erheblich verbessert und somit eine hohe Stabilität beim Parallelbetrieb von IGBTs sichergestellt. Diese Eigenschaften bieten eine höhere Flexibilität bei der Entwicklung baugrößenoptimierter Wechselrichter, die eine höhere Leistung erzielen, heißt es. „Die Nachfrage nach Leistungshalbleitern für die Automobilindustrie steigt mit der zunehmenden Verbreitung von Elektroautos rapide an“, erklärt Katsuya Konishi, Vice President der Power System Business Division von Renesas, „mit den jüngsten Bauelementen, die in Kürze in die Massenproduktion gehen, bieten wir optimierte Leistungsmerkmale für EV-Wechselrichter der mittleren Leistungsklasse, die mit aller Voraussicht künftig ein schnelles Wachstum verzeichnen werden.“ Daher will Renesas ab der ersten Hälfte des Jahres 2024 die Produktion in seiner neuen 300-mm-Waferfabrik in Kofu (Japan) hochfahren, um die stetig wachsende Nachfrage nach Leistungshalbleiterprodukten zu bedienen.

Als Hauptmerkmale der IGBT-Generation AE5 werden genannt:

• Vier Produkte für Wechselrichter mit 400 V bis 800 V: 750-V-Spannungsfestigkeit (220 A und 300 A) und 1200-V-Spannungsfestigkeit (150 A und 200 A),

• konstante Leistung über den gesamten Sperrschichttemperaturbereich (T_j) von – 40 bis 175 °C,

• branchenweit höchstes Leistungsniveau mit einer Einschaltspannung V_ce (Sättigungsspannung) von 1,3 V als wesentlicher Faktor zur Minimierung der Verlustleistung,

• 10% höhere Stromdichte im Vergleich zu herkömmlichen Produkten bei kleiner Chip-Größe (optimiert für geringe Verlustleistung und hohen Eingangswiderstand),

• stabiler Parallelbetrieb durch Reduzierung der Parameterschwankungen bei V_GE(off) auf ±0,5 V,

• Beibehaltung des sicheren Betriebsbereichs in Sperrrichtung (RBSOA) mit einem maximalen Ic-Stromimpuls von 600 A bei einer Sperrschichttemperatur von 175 °C und einer robusten Kurzschlussfestigkeit von 4 µs bei 400 V,

• 50%-ige Reduzierung der Temperaturabhängigkeit des Gate-Widerstands (minimiert die Schaltverluste bei hohen Temperaturen, die Spannungsspitzen bei niedrigen Temperaturen und die Kurzschlussfestigkeit, was Hochleistungsdesigns ermögliche),

• erhältlich als Bare-Die (Wafer),

• verringerte Leistungsverluste des Wechselrichters und verbessert den Wirkungsgrad um bis zu 6% im Vergleich zum aktuellen AE4-Prozess bei gleicher Stromdichte, sodass Elektrofahrzeuge längere Strecken zurücklegen können und weniger Batteriekapazität benötigen.

Zur Entwicklungsunterstützung gibt es von Renesas die xEV Inverter Reference Solution. Es ist ein Hardware-Referenz-Design, das einen IGBT, einen Mikrocontroller, einen Power-Management-IC (PMIC), einen Gate-Treiber-IC und eine Fast-Recovery-Diode (FRD) kombiniert. Renesas bietet auch das xEV Inverter Kit an, das eine Hardware-Implementierung des Referenzdesigns umfasst. Darüber hinaus steht ein Tool zur Kalibrierung der Motorparameter sowie das xEV Inverter Application Model and Software zur Verfügung, das ein Anwendungsmodell und eine Beispielsoftware zur Ansteuerung des Motors umfasst. Diese Tools und Support-Programme von Renesas sollen Kunden dabei helfen, ihre Software-Entwicklung zu vereinfachen. Renesas plant, diese Hardware- und Software-Entwicklungskits um die IGBTs der neuen Generation zu erweitern, um damit eine noch bessere Energieeffizienz und Performance bei geringerem Platzbedarf zu ermöglichen.

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