Auf dem Weg zum idealen Schalter

Immer kleinere Durchlasswiderstände und geringere Schaltverluste bei höheren Schaltfrequenzen kennzeichnen die Entwicklung bei Leistungshalbleitern, wie eine Tagung des VDE zeigte.

Die Leistungselektronik ist eine wichtige Voraussetzung für Innovationen und internationale Wettbewerbsfähigkeit unserer Wirtschaft in der Verkehrstechnik, der Industrie- und Unterhaltungselektronik sowie der Computer- und Kommunikationstechnik“, so Leo Lorenz, wissenschaftlicher Leiter der VDE-Tagung „Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen“, die Ende April in Bad Nauheim statt fand. Lorenz weiter: „Der Zwang zum rationellen Umgang mit der elektrischen Energie, zur Miniaturisierung der elektrischen und elektronischen Systeme sowie zum intelligenten Energiemanagement tragbarer Geräte war der Motor für die revolutionäre Entwicklung der Leistungshalbleiter in der letzten Dekade und wird es auch weiterhin bleiben.“
Heute überstreicht der Anwendungsbereich der Leistungshalbleiter mit lichtzündbaren Thyristoren für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) bis zum Leistungsmanagement für das Handy mit Mosfets Leistungen von etwa 1 GW bis hinunter zu einigen mW. „Komfortable Drehstromantriebe für die ICE-Züge waren nur durch die Entwicklung von abschaltbaren Thyristoren im oberen Leistungsbereich möglich, heute dringt der IGBT mit derzeit 6,5 kV Sperrspannung und Stromtragfähigkeiten bis 3500 A in diese Domäne vor“, erläutert Lorenz. Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist eine Kombination der heute fast verdrängten bipolaren Transistoren mit einer MOS(Metal Oxide Semiconductor)-Eingangsschaltung, er ist damit spannungsgesteuert und kann einen relativ großen Ausgangsstrom schalten. Im unteren Leistungsbereich dominieren traditionell die MOS-Feldeffekttransistoren, die Mosfets. Hier wurde kürzlich mit der „Super-Injection-Technologie“ ein revolutionärer Entwicklungsschritt eingeleitet. Infineon propagiert diese Technologie unter der Bezeichnung „CoolMOS“ und habe sich laut Reinhard Ploss, Leiter des Geschäftsbereiches Automobil- und Industrieelektronik, einen Technologievorsprung von rund 15 Monaten erarbeitet.
„Die Super-Junction-Technologie dürfte den Einsatzbereich von Mosfets mittelfristig auf 1000 V und langfristig auf 2 kV oder sogar 3 kV erhöhen“, erwartet Prof Roland Sittig von der TU Braunschweig. „Und im unteren Spannungsbereich stehen mit dem Leistungs-Mosfet nahezu ideale Schalter zur Verfügung.“ Mit dem Einsatz der Trench-Technologie – der Strukturierung von Gräben im Halbleitermaterial – konnten in den letzten Jahren die Durchlasswiderstände in die Größenordnung von Millionen abgesenkt und damit fast die Grenzen der Siliziumtechnik erreicht werden. Doch bis zum vollständigen Ausreizen der Siliziumtechnik gebe es insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen noch ein äußerst attraktives Entwicklungspotenzial, bevor Siliziumkarbid mit seinen besseren Temperatur- und Schalteigenschaften zu konkurrenzfähigen Bedingungen auf den Markt komme.
Anwendungen für Super-Junction-Mosfets sind speziell Schaltnetzteile für Computer. Mit den hohen erreichbaren Schaltfrequenzen von einigen hundert kHz und den geringen Durchlasswiderständen lassen sich der Wirkungsgrad und damit die Verluste von Stromversorgungen drastisch reduzieren. IGBTs werden vorwiegend in Umformern für elektrische Antriebe eingesetzt, hier zählen besonders geringe Schaltverluste bei Schaltfrequenzen von einigen zehn kHz. Wenn man berücksichtigt, dass heute etwa 50 % der elektrischen Energie in elektrischen Antrieben umgeformt wird (weitere 20 % in der Beleuchtungstechnik und 20 % in Heizung/Klima) und davon erst 10 % mit drehzahlvariablen Antrieben (in Drehmoment und Drehzahl und damit im Systemwirkungsgrad optimiert) ausgestattet sind, so ist dies in Zukunft der größte Wachstumssektor der gesamten Industrie-Elektronik und damit auch der Leistungshalbleiter. In Europa verschlingt der Antrieb rotierender Maschinen laut ZVEI jährlich rund 400 TWh. Durch Anwendung effizienterer Antriebe würden sich davon 60 % bis 70 % einsparen lassen. ACHIM SCHARF