Internally funded project
Start date : 01.09.2010
End date : 10.07.2017
Ein weiterer Ausbau erneuerbarer Energiequellen bedarf einer substantiellen Weiterentwicklung des Mittelspannungsnetzes. Hierzu ist unter anderem ein neuer technologischer Lösungsansatz zur Realisierung eines halbleiterbasierten Leistungsschalters erforderlich, der eine effiziente Steuerung des Energieflusses zwischen den Energiequellen und der Verteilerebene ermöglicht. Ein solcher Leistungsschalter sollte dabei vor allem über möglichst geringe Durchlassverluste sowie über eine hohe Sperr- und Kurzschlussfestigkeit verfügen. In den vergangenen Jahren konnte am Beispiel des bipolaren SiC-IGBTs bereits hinlänglich gezeigt werden, dass sich bei der Verwendung von SiC als Halbleitergrundmaterial Leistungsschalter mit den geforderten Durchlassverlusten und Sperrfestigkeiten realisieren lassen. Aufgrund des auf einem MIS-Kondensator basierenden Steuerungsprinzips des SiC-IGBTs, erscheint es jedoch fraglich, ob für diesen auch eine entsprechend hohe Kurzschlussfestigkeit erreicht werden kann. Unter diesem Aspekt stellt der SiC-BIFET, bei dem es sich ebenfalls um einen bipolaren SiC-Feldeffekttransistor handelt, dessen Steuerungsprinzip aber auf der Modulation der Raumladungszone eines pn-Überganges basiert, einen vielversprechenden Lösungsansatz zur Realisierung eines solchen Leistungsschalters dar.
Die tatsächliche Eignung des SiC-BIFETs wird entscheidend davon bestimmt, ob sich mit diesem bislang weitestgehend unerforschten Bauelementkonzept auch die entsprechenden Durchlassverluste in der geforderten Spannungsklasse von mindestens 10kV erzielen lassen. Um dies zu untersuchen, wurden im Rahmen dieser Arbeit 10kV-SiC-p-BIFETs mit p-dotiertem Kanal- und Driftgebiet und 10kV-SiC-n-BIFETs mit n-dotiertem Kanal- und Driftgebiet und einer nominellen Sperrfestigkeit von jeweils 10kV hergestellt und elektrisch charakterisiert. Auf Grundlage der gemessenen Durchlasseigenschaften konnte sowohl für den 10kV-SiC-n-, als auch für den 10kVSiC-p-BIFET eine leichte Modulation des Driftgebietes nachgewiesen werden. Dies zeigt die prinzipielle Möglichkeit mit beiden Varianten dieses Bauelementkonzeptes eine für bipolare Leistungsbauelemente typische Modulation des Driftgebietes erreichen zu können. Allerdings zeigen diese Ergebnisse auch, dass für den SiC-n-BIFET in zukünftigen Entwicklungen ein deutlich größeres Entwicklungspotential als für den SiC-p-BIFET zu erwarten ist. Die Weiterentwicklung des SiC-BIFETs sollte sich daher explizit auf die Weiterentwicklung des SiC-n-BIFETs konzentrieren.
Durch den Vergleich der gemessenen Durchlasseigenschaften mit den Ergebnissen der numerischen Modellbildung ließ sich für diesen nachweisen, dass der Grad der Modulation durch eine Erhöhung der ambipolaren Lebensdauer im Driftgebiet deutlich gesteigert werden kann. In den vergangenen Jahren konnten durch die Entwicklung eines entsprechenden Verfahrens bereits erhebliche Fortschritte bei der Erhöhung der ambipolaren Lebensdauer erzielt werden. Bei einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens ist daher zu erwarten, dass es in naher Zukunft möglich sein wird, das aus der Modulation des Driftgebietes resultierende Potential des bipolaren Bauelementkonzeptes bezüglich einer Minimierung der Durchlassverluste vollständig auszunutzen. Darüber hinaus ermöglicht die Auslegung des SiC-n-BIFETs als ein im Normalbetrieb leitfähiges Bauelement (normally-on), für das der Steuerungsbereich unabhängig von der Gate-Ansteuerung dimensioniert werden darf, eine weitere signifikante Reduzierung der Durchlassverluste.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen unterstreichen damit die vielversprechende Eignung des SiC-BIFETs für die Anwendung als Leistungsschalter im Mittelspannungsnetz. Der SiC-BIFET stellt den bislang einzigen technologisch bekannten Lösungsansatz zur Realisierung eines halbleiterbasierten Leistungsschalters für das Mittelspannungsnetz dar.