Die Corona-Pandemie hat Gesellschaft und Wirtschaft nach wie vor fest im Griff. Auch die Hersteller von Leistungshalbleitern und deren Kunden konnten sich den Ereignissen nicht entziehen, mussten Rückschläge beim Absatz hinnehmen. Wie sehen also die Auswirkungen weltweit für diese Industrie aus – und, noch viel wichtiger, wie geht es weiter, gibt es vielleicht schon ein Licht am Ende des Tunnels? Diese Fragen möchte Dr. Peter Wawer, Division-Präsident Industrial Power Control bei der Infineon Technologies AG, klären. Darüber hinaus zeigt er am Beispiel des Marktführers für Leistungselektronik wie trotz der Pandemie die Zeit genutzt wurde, um die Entwicklung bei Siliziumkarbid voranzutreiben – auch mit Blick auf die Anwendungstechnik.

In Zeiten der E-Mobilität müssen Zuverlässigkeitstests vermehrt auch dynamische Tests abdecken. Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Wide-Bandgap-Materialien sind ein hochaktuelles Thema, da die Forschung an den neuen Materialien wie SiC noch nicht abgeschlossen ist. Das führt zu völlig neuen Anforderungen an die Testverfahren, die die gesamte Industrie herausfordern. Die Nachfrage nach dynamischen H(3)TRB- und HTGS/B-Prüfungen ist - getrieben durch die Automobilindustrie - extrem gestiegen, aber genaue Anforderungen sind selten bekannt. Dieser Vortrag bietet einen Überblick über die Herausforderungen im Testen und Qualifizieren von Wide-Bandgap Materialien wie SiC und mögliche Lösungsansätze und Perspektiven. Ein Fokusbereich wird dabei das topaktuelle Thema "dynamisches Testen" sein. Da dieses Thema noch sehr neu und wenig erforscht ist, hat die Firma SET GmbH in ihrer F&E-Abteilung Testaufbauten vorgenommen, Parameter definiert und anhand eines der gängigsten Messverfahren mehrere marktübliche SiC-Komponenten dynamischen HTGS- und H3TRB-Tests unterzogen. Erste Ergebnisse dieser Tests und die Schlussfolgerungen daraus werden in diesem Vortrag ebenfalls vorgestellt.

Moderne SiC-basierte Leistungshalbleiter wie Schottkydioden oder MOSFETs durchdringen immer mehr Bereiche der industriellen Elektronik sowie der Elektromobilität. Einer der wesentlichen Vorteile der neuen Technologie besteht in der Nutzung von weitaus höheren internen elektrischen Feldern im Halbleiter. Das ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Si-Bauelementen, insbesondere IGBTs, eine Miniaturisierung der Chips. Mit dem steigenden Interesse an den neuartigen Komponenten geht selbstverständlich auch die Frage zum Reifegrad der Technologie für den Dauerbetrieb einher. Häufig werden auch Aspekte der Vergleichbarkeit von Si- und SiC-Bauelementen unter extremen Betriebsbedingungen wie Kurzschluss, Überstromvermögen oder Avalancherobustheit diskutiert. Mit Blick auf die Anwendbarkeit ist es darüber hinaus erforderlich, die Qualifikationsprozesse heutiger Leistungsbauelemente für die neuen Bauelemente zu verifizieren. Das beinhaltet ggf. auch, die Standardtestzeiten im Zuge einer Robustheitsvalidierung entsprechend zu verlängern. Der Beitrag gibt in diesem Zusammenhang einen Überblick über die Besonderheiten der SiC-Technologie. Gleichzeitig wird dargestellt, wie Infineon sicherstellt, dass diese ein mit der etablierten Si-Technologie vergleichbares Niveau bei FIT-Raten und anderen Zuverlässigkeitsaspekten erreicht. Fokusthemen werden Oxidrobustheit, die Stabilität der integrierten Bodydiode und auch die Performance in extremen (z.B. feuchten) Umgebungen sein.

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die neusten WBG- Leistungshalbleiter, deren weitere Entwicklung sowie deren vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Industrie- wie auch Automotive-Anwendungen. Die Vorzüge der neuen WBG Bauelemente auf Chipebene wird diskutiert und der Einfluss von modernen diskreten Gehäusen mit Kelvin-Source auf das Schaltverhalten wird thematisiert. Schließlich wird, anhand von Beispielen aus verschiedenen Schaltungen, der für den Anwender erzielbare Vorteil in Bezug auf Wirkungsgrad und weiterer technischer Messgrößen aufgezeigt. Die Relevanz dieser Vorteile für Industrie- wie auch Automotive-Anwendungen wird ebenfalls thematisiert.

Power electronic systems using wide bandgap devices (WBG) offer higher efficiency and power density compared to systems based on silicon counterparts. The reduced interelectrode capacitance values as a key component for decreased losses in these hard switching power converters, however, directly result in increased current and voltage slopes during operation. In consequence, the design process of the switching cell becomes more challenging, especially with the low threshold voltage values of commercial available WBG devices. Furthermore, within conventional design processes the impact of circuit board parasitic effects as well as the magnetic coupling between single copper tracks in terms of additional voltage drops does not become obvious until a first hardware setup of the switching cell. In consequence, ancillary iterations with adjusted hardware have to be conducted in order to provide compliance with the requirements of the application or the ratings of the power semiconductor devices. This presentation highlights the circuit simulation supported design process of switching cells. Using the example of a high-integrated WBG power module, requirements regarding accuracy and applicability of a simulation model and its profitable application are discussed. After an overview of specific modeling processes (e.g. semiconductor devices, conductor paths, magnetic coupling of conductor paths, capacitors) the accuracy of the individual sub models is reviewed compared to the complete simulation model of the switching cell. Particularly, the interference between the individual models and the scope of application for the resulting simulation model is pointed out. In the end, the results of the circuit simulation are compared with measurement results of a double pulse test bench. The high accuracy and accordance between measurement and simulation suggests the replacement of hardware setups by digital twins concerning a circuit simulation model, especially in the early design process. As a result, the complete design process becomes faster, more target-oriented and more resource saving.

The ubiquity of rapid charge technology and the performance benefits delivered by wide-bandgap switches have created a step change in power supply size and performance. Consumers are engaged and tiny form factors are now expected. Power Integrations will announce the release of MinE-CAP™ IC, which reduces power supply form factor and increases peak power. Employing PowiGaN™ switch technology the new IC enables a reduction of up to 50% in the size of bulk capacitors without increasing output ripple. The new device is ideal for space constrained applications such as chargers, appliances and wall outlets, and reduces the need for high voltage capacitors to support ultra-wide range power supplies for regions with unstable mains voltages.

Over the last decade, Gallium-Nitride (GaN) based power transistors have become a key technology in driving frequencies and efficiencies of Switched-Mode Power Supplies (SMPS) towards unprecedented levels. GaN technology is realizing the primary goal of achieving higher power densities and enabling smaller power supplies. However, the switching speed of a GaN transistor is intrinsically faster than even the latest MOSFET technologies, posing significant challenges for SPMS designers in achieving the needed robustness to avoid catastrophic failure. Currently, the limiting factor in GaN-based SMPS performance is the gate-driver. This presentation describes the technical shortcomings of commercially available GaN gate-drivers and the advancements developed by MinDCet for maximizing the performance of a GaN power stage.

Einleitung Die Elektrifizierung der Welt und unseres Alltags schreitet seit über hundert Jahren unaufhörlich voran. Diese Entwicklung hat in den letzten Jahren noch weiter an Dynamik dazugewonnen, weil umwelttechnische Überlegungen und eine Verknappung der fossilen Energieträger wie Erdöl dazu geführt haben, dass nun auch das Automobil und dessen Antriebstrang elektrifiziert werden. Leistungshalbleiter sind hierbei die entscheidenden Komponenten, die die Effizienz und die Abmessungen einer z.B. Batterie-Ladeeinheit („On board charger“) bestimmen. Als „Stars“ der Leistungselektronik werden die Transistoren auf der Basis von modernen Halbleitersystemen wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid betrachtet. Hierbei wird oft übersehen, dass Dioden („rectifier“) in einem z.B. asynchronen Wechselrichter in Form einer Freilaufdiode bei der Effizienz, Zuverlässigkeit und elektromagnetischer Emission des Systems entscheidend mitwirken. Zwar hat sich auch bei Dioden der Einsatz von Siliziumkarbid in Form der Schottkydiode durchgesetzt, allerdings werden diese Dioden erst ab einer Spannungsklasse von über 650V und bei sehr hohen Leistungen eingesetzt, zumal diese Technologie noch signifikant teurer ist als die Siliziumlösungen und Siliziumkarbid-Bauelemente aufgrund des großen Bandabstandes intrinsisch eine hohe Durchlassspannung aufweisen und die SiC-Kristallgrößen tendenziell groß ausfallen. Es existieren aber zahlreiche leistungselektronische Anwendungen unterhalb von 650V, die einer kostengünstigen Lösung bedürfen, ohne Einbußen bei der Zuverlässigkeit und Effizienz des Bauelements in Kauf nehmen zu können. An dieser Stelle kann Nexperia Abhilfe schaffen. Nexperia als Halbleiteranbieter verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Herstellung von diskreten Bauelementen. Die Mehrzahl der Produkte werden gemäß neusten Zuverlässigkeitsstandards der Automobilindustrie getestet und qualifiziert. Untersuchte Dioden-Technologien In diesem Beitrag möchten wir die verschiedenen Silizium-Dioden-Technologien hinsichtlich ihrer Eignung für leistungselektronische Anwendungen im Bereich von 100-200 V diskutieren. Es werden folgende Technologien vorgestellt und miteinander verglichen: 1. Planare Schottky-Technologie 2. Trench-Schottky-Technologie 3. Schnell schaltende bipolare Technologie („hyperfast recovery diode“) 4. Eine neuartige Siliziumgermanium (SiGe) Dioden-Technologie, die von Nexperia entwickelt und vor kurzem freigegeben wurde. Folgende Charakteristiken der Technologien werden in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert: 1. Das Schaltverhalten und die Sperrverzögerungsladung Qrr der Dioden unter schnellen Kommutierungsgeschwindigkeiten (-1 A/ns) 2. Einfluss auf die Effizienz und Abstrahlverhalten (EMV) eines hochfrequenten 48V-12V-Wandlers 3. Die thermische Stabilität der Dioden-Technologien. Im Fokus: eine neuartige Silizium-Germanium-Technologie 4. Einfluss des Gehäuse auf die thermische Stabilität

Under normal operating conditions a MOSFET typically operates in one of two idealistic modes, ON and OFF. During the ON state, a low RDS(on) MOSFET can typically conduct a few hundred amps with only a few hundred mV across the drain-source terminals. Effective heat-sinking allows the MOSFET to operate continuously and reliably when fully turned ON, whilst maintaining a safe junction temperature (TJ). During the OFF state, the MOSFET blocks the supply voltage, and since IDSS leakage is low (typically nA) then power dissipation in the OFF state is also very low. When a MOSFET is partially turned ON, it is said to operate in “linear mode”, it behaves like a voltage controlled resistor. Since the MOSFET has both instantaneous voltage and current between the drain and source terminals, there can be significant instantaneous power dissipation within the MOSFETs’ switching cells that causes rapid heating within the silicon and will ultimately result in thermal runaway if enough energy is dissipated. A MOSFETs’ linear mode capability is specified in the datasheet’s ‘Safe Operating Area’ (SOA) graph. The SOA curve determines how many amps and volts (power) can be safely handled for various different pulse lengths from DC to 1uS. In the quest to create MOSFETs with ever decreasing RDS(on) , MOSFET vendors typically focus on shrinking the cell pitch in order to increase the cell density. As more cells are connected in parallel, the RDS(on) is reduced for successive generations of trench technology. When MOSFET cells are stacked closer together, then thermal interaction between cells becomes more dominant. This thermal interaction typically results in reduced linear mode (SOA) capability, and helps to explain why older technologies often perform better in SOA critical applications such as hotswap, efuse and battery protection. Design engineers typically have to compromise their designs and choose between ‘strong SOA’ or ‘low RDS(on)’ for low I2R losses. But what if there was a technology that could deliver both strong linear mode (SOA) AND low RDS(on) without compromising performance? In this session, we will discuss the capability of Nexperia’s NextPowerS3 and NextPower Live! technologies that deliver 3x~4x stronger SOA than competitor MOSFETs, whilst also delivering low RDS(on) typically 0.5 mOhm in a 5x6 mm package. We will also discuss some of the everyday applications that rely on strong linear mode behaviour that make NextPowerS3 and NextPower Live! the ideal choice for dependable switching in safe & reliable applications.