Eurocomp Elektronik GmbH steht für innovative Komponenten der Leistungselektronik

Seit über 25 Jahren bieten wir in engem Zusammenwirken mit ausgewählten Partnern sowohl Standard- als auch kundenspezifische innovative aktive und passive Leistungskomponenten:

Leistungshalbleiter:Transistoren (MOSFET, SSFET und IGBT) und Dioden in Si-, SiC- und GaN-Technologie als Einzelkomponenten oder Module verschiedenster Gehäuse-technologien für Spannungen 600 V bis 1700 V und Ströme bis zu 600 A.

Effiziente Flachtransformatoren:Applikationsspezifische Versionen für AC und DC Anwendungen. Leistungs-bereich zwischen 5 W und 20 kW als Einzelkomponente. Geeignet für Schalt-frequenzen von 50 kHz bis 2 MHz typ. Wirkungsgrad zwischen 97 und 99 %. Weitere Induktivitäten (Drosseln, Filtern, Hybride) in gleicher Bauform.

Hochleistungskondensatoren mit hoher Leistungsdichte:Leistung von 75 kVAr bis zu 1.500 kVAr (auch flüssigkeitsgekühlt)Kapazitäten von 0,025 µF bis 85 µFFrequenzbereich von wenigen kHz (MF) bis 100 MHz (VHF)

EMV Filter:Standard- und kundenspezifische AC und DC EMV-Filter für alle Wechselrichteranwendungen, darunter auch für Solarwechselrichter, netzgebunden, transformatorlos und DC-entkoppelt.

Intergrierte Schaltungen für Power Management:Solar Bypass Lösungen als aktive Schaltung (LX2410) alternativ als extrem flache Schottky Diodenlösung. DC-DC Spannungsregler, PWM und Controller. DC-DC Controller auch als programmierbare Versionen.

In den Vorjahren wurde das Konzept der aktiven Solar Bypass Schaltung LX2400 mit dem OTTI Innovationspreis ausgezeichnet.

Eurocomp Elektronik GmbHWolfgang Knitterscheidt

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Aufholjagd der GaN Leistungshalbleiter

650 V Typen erschließen neue Applikationen

Seit Mitte der 2000er Jahre wird diskutiert, welche der Wide-Gap-Technologien die Nase vorne hat: SiC oder GaN? Gegen Ende der Dekade stellte sich heraus, dass SiC näher an den Vorteilen des funktionalen Einsatzes ist. Jetzt zeigt sich aber, dass GaN im Spannungsbereich von 650 V und bald bis 1200 V eine Alter-native zu SiC sein wird wie im Folgenden gezeigt.

Auf Wide-Band-Gap Halbleiter wie Galliumnitrid oder Siliziumkarbid hat die Leistungselektronik wegen ihrer Vorteile schon lange gewartet. Diese sind verglichen mit Si-Bauteilen ein geringerer Rds(on) ,verringerte Leckströme und reduzierte Schaltverluste. Wo ergeben sich nun die Vor- und Nachteile der beiden Wide-Band-Gap-Lager?

SiC dominiert noch bis 1200 V und darüber sowie durch seine guten Schalteigen-schaften bei hohen Frequenzen. Der Preis ist aber immer noch ein Hindernis.

Der Umsatz mit SiC Module überholt trotzdem in überschaubarem Zeitraum den der Diskreten.

SiC-Bauelemente werden sich, zu mindestens in Nischen, in diversen Hochspan-nungs-Industrieapplikationen etablieren.

GaN Leistungshalbleiter dagegen:• werden bei Spannungen bis 900 V dominieren.• ihre Preise werden in 2019 das Si-Niveau erreicht haben, alle 600 V SiC Schottky werden dann durch GaN ersetzt.

Außerdem wird sich GaN in Consumer- und Computing/Server Powerconversion Applikationen etablieren.

Kleinere Schaltnetzteile in Ladegeräten oder PFC-Stufen im untersten Leistungs-bereich kommen hier in Frage, Sonderlösungen in Kleinumrichtern <2 kW sind auf Messen schon zu sehen.

Auf GaN-Bauelementen basierende Umrichter im Bereich hunderter kW wird man in den nächsten Jahren nicht zu sehen bekommen, Umrichter dieser Größenordnungauf Basis von SiC sind aber bereits in der Erprobung. Das Aufmacherbild zeigt die Applikationsgebiete von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern.

Die Marktentwicklung der konkurrierenden Technologien zeigt Bild 1. Laut dem UVAC Technologie Journal 63 vom Mai 2013 wird der Markt für GaN-Bauelementen in Japan 500 Billionen Yen (3,5 Mrd. Euro) bzw. weltweit 2 Trillionen Yen (14,2 Bill. Euro) erreichen.

Bild 1: Marktentwicklung der konkurrierenden Technologien. (Quelle: ism research)

Laut der R&D Association for Future Electron Devices kann durch den Ersatz von konventionellen Si-Leistungshalbleitern durch die SiC- und GaN-Halbleiter der nächsten Generation die CO2 Emission um 70% bis 90% reduziert werden. Bild 2 zeigt die technologischen Grenzen für die konkurrierenden Halbleitertechnologien.

Bild 2: Technologische Grenzen für die konkurrierenden Halbleitertechnologien. (Quelle: RFMD)

GaN – vom HF Einsatz zur Leistungselektronik

RFMD kündigt jetzt die Verfügbarkeit von zwei 650 V SSFETs in seiner rGaN-HV-Technolgie an, die im Mai 2012 erstmals publiziert wurde. RFMD befasst sich seit 1995 mit der GaN-Technologie für den Hochfrequenzeinsatz und begann ab dem Jahr 2010 die GaN-Technologie für Leistungsapplikationen zu entwickeln. RFMD ist der größte III-V Hersteller für HF-Anwendungen und fertigt >25 % der weltweiten GaAs Wafers für HF-Applikationen und dies mit einer Effizienz/Ausbeute vergleichbar mit Si-Wafern.Die Merkmale der rGaN-HV-Technologie sind eine Betriebsspannung von 650 V, eine Durchbruch-Spannung von mindestens 899 V, ein On-Widerstand (Ron) von 6 Ohm x mm und eine Leakage von 1 µA/mm. Die angezielten Qualitätsdaten bei 650 V sind Ea> 1,5 eV und eine MTTF > 1 x 107 hrs bei Tch= 175°C.Denkbare Applikationen für 600 bis 650 V sind Stromversorgungen für IT und Tele-kom, der Ersatz von SJFETs mit einer 10mal besseren FoM, Leistungsplattformen mit Frequenzen bis 500 kHz, PFC- und DC/DC-Applikationen mit Wirkungsgraden bis 95 oder gar 98%. Außerdem hat die Technologie das Potential Dioden und Mehrfachschalter zu integrieren. Die Anwendungen, die RFMD mit einer künftigen 900 bis 1200 V Technologie im Auge hat, sind Solarinverter und USVs, der Ersatz von IGBTs bei gleichzeitig verbesserter Effizienz, Leistungsplattformen bis 50 oder gar 100 kHz. Außerdem will die Firma die GaN-Teile günstiger als vergleichbare SiC-Bauteile anbieten. Da die beiden Typen normally off SSFETs sind genügen sie auch den Sicherheitsanforderungen der Leistungselektronik.

Erste aktuelle GaN-SSFETs

Im isolierten TO-247 präsentiert sich der RFJS3006F, ein schneller 650 V SSFET (Source Switched FET) mit integrierter ultra-schnellen Freilaufdiode mit einer Sperrerholzeit TRR von 12 ns und einer Sperrladung QRR von 40 nC. Der Normally-off insulated Gate SSFET, von dem es erste Muster gibt, ist ausgelegt für 30 A (ID bei 25°C) und bietet einen RDS(ON) von 45 mOhm. Die Schaltverluste sind mit 20µJ/30µJ (Eon/Eoff) sehr gering.

Bild 3: Schaltbild der SSFETs RFJS3006F und RFJS1506Q. (Quelle: RFMD)

Der RFJS1506Q im kleinen 8 x 8 mm HV PQFN ist eine sehr schnelle Version und für 15 A ausgelegt, verfügt ebenfalls über eine interne sehr schnelle FW-Diode (TRR 9ns, QRR 21 nC). Weitere Daten sind eine geringe Ausgangskapazität und eine geringe Induktivität, außerdem werden die für den Hochspannungseinsatz erforderlichen Kriechstrecken eingehalten. Beide Bauteile, deren Innenschaltung Bild 3 zeigt, bieten durch ihr isoliertes Gate die Vorteile und den einfachen Einsatz wie man ihn vom Power MOSFET oder IGBT kennt, aber das mit höherer Effizienz und bei höheren PWM Frequenzen. Die SSFETs verwenden die Bidirektionalität eines GaN HEMTs für die Bildung einer ultra-schnellen Freilaufdiodenfunktion. Eine separate Antiparalleldiode ist so nicht erforderlich.

2,4 kW Boost Converter Evaluation Board

RFMD bietet für den RFJS3006F ein Evaluations-Board für den Aufbau eines 2,4 kW Boost Wandlers an. Damit wird Entwicklern die Umstellung auf GaN erleichtert. Das RFJS3006FDK1 Evaluationboard in Boost (step-up) Topologie wird im lückenden Continuous Conduction Mode (CCM) betrieben und eignet sich die Ein- und Ausschaltcharakteristiken des RFJS3006F sowie seine Verluste und den Wirkungsgrad zu evaluieren. Das Board enthält den RFJS3006F zusammen mit einem Treiber und einer SiC Schottkydiode sowie einer Spule (Bild 5). Seine Spezifikationen sind: Max. Ausgangsleistung 2400 W, Eingangsspannung 180 VDC bis 240 VDC, geregelte Ausgangsspannung 386 V und Schaltfrequenz 133 kHz.

Bild 4: Das RFJS3006FDK1 Evaluationboard in Boost Topologie eignet sich für die Evaluierung verschiedener Parameter des RFJS3006F in einer 2,4 kW Wandlerapplikation. (Quelle: RFMD)

SiC Schottky Dioden von Microsemi

Nach längerer Erfahrung beim Einsatz in eigenen Modulen offeriert Microsemi jetzt dem Markt ein breites Angebot von SiC Schottky Dioden und ist damit einer der neuen Anbieter. Das aktuelle Portfolio der diskreten Dioden umfasst mehrere Typen in drei Gehäuseformen:

• 1200 V Einzel- und Doppeldioden im TO-247 für 10 A sowie • 1200 V Einzeldioden im TO-220 für 10 A• 1200 V Einzeldioden im TO-247 für 20 und 30 A und im D3PAK für 20 und 30 A

Neu sind die Ausführungen für 650 V, hier werden Einzeldioden im TO-220 für 10 und 20 A sowie im TO-247 für 30 A angeboten.

Alle SBD zeichnen sich durch eine Durchflussspannung von 1,5 V (bei 25°C) aus.

Auch Typen mit 1700 V werden noch 2014 in Stückzahlen angeboten. Die Dioden gibt es auch in Leistungsmodulen der Bauart TO-227 und SP1 in verschiedenen Konfigurationen bis 120 A sowie in Kombination mit IGBTs auch im SP4.

SiC MOSFETs von Microsemi

Microsemi ist einer der neuesten Anbieter von kommerziell verfügbaren SiC MOS-FETs und läutet damit einen Paradigmenwechsel ein.

Die vorerst mit 1200 V und dann auch mit 1700 V Sperrspannung lieferbaren SiC MOSFETs zeigen einen größeren als bisher üblichen SOA und lassen sich auch mit +15V und -10V am Gate wie übliche MOSFET steuern. Diese Premium SiC MOSFETs sind ab Mitte 2014 im TO-247 und D3Pak für 1200 V und dann auch für 1700 V in Serienstückzahlen lieferbar.

Dabei zeichnen sich die 40 A Typen durch einen geringen R(SDon) von 80 mOhm aus, die 80 A Typen spezifizieren einen R(SDon) von 40 mOhm. Down-Scale Versionen mit kleineren Strömen sind auch in Vorbereitung. Diese Transistoren werden auch im Isotop Gehäuse (SOT-227) z.B. als Boost Versionen mit separater SiC Diode verfügbar sein.

Die SiC-MOSFETs wird es auch in Leistungsmodulen mit Bauform PFC, T, 3-Level und Phaseleg sowie in Kombination mit Dioden als Chopper und Dual Chopper in Bauart SOT-227, SP1, SP2 und SP3 geben.

LX2410 Solar Bypass Diode der nächsten Generation

Bypass Dioden werden in Photovoltaik-Panels zur Überbrückung abgeschatteter oder defekter Solarzellen benötigt. Um die Effizienz der Module möglichst hoch zu halten, sollten die Verluste in den Bypässen möglichst gering sein. Auf Grund der hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Module mit einer erwarteten Betriebsdauer von 30 Jahren muss diese auch von den Bypässen erfüllt werden. Negativ auf die Lebensdauer von Halbleitern wirken sich Erwärmungen aus, speziell, wenn diese wie bei den oft eingesetzten Schottky Dioden unkontrolliert (thermal runaway) stattfinden. Eine defekte Bypass Diode setzt das Modul bzw. Teile davon dauerhaft außer Betrieb und kann zu gefährlichen Lichtbögen führen, die oftmals als Ursache für einen Brand genannt werden. Microsemi bietet mit der Serie LX24xx einen idealen Bypass an, mit den Vorteilen einer niedrigen Durchwlass-Spannung für eine hohe Effizienz des Moduls und die auf Grund der Technologie ein unkontrolliertes Erwärmen unmöglich macht, wie es im Bild sehr deutlich demonstriert wird.

Mit der Version LX2410 hat die Firma jetzt eine Variante im Programm, die durch ihre flache Bauform zusätzlich den Einsatz unter dem Glas des Moduls ermöglicht.

Das nur 0,7 mm dünne Bauteil im QFN Gehäuse mit den weiteren Abmessungen 8 x 6 mm kann direkt nahtlos in das Laminat des PV-Panels integriert werden.

Durch die geringe Durchlass-Spannung von nur 75mV beträgt die Verlustleistung bei 12,5 A (90°C) nur 1 Watt, damit entfällt die Notwendigkeit der Wärmeabfuhr, Hotspots können nicht entstehen, die Zuverlässigkeit wird deutlich gesteigert, eine Anschlussdose ist nicht mehr notwendig und die Effizienz des Panels wird gesteigert speziell, wenn in Zukunft die Ströme weiter zunehmen. Weitere Merkmale sind die Festigkeit gegen Blitze nach IEC 610000-4-5 und die verringerten Gesamtkosten über die Lebensdauer.

Die LX2410 gibt es bereits in Produktionsstückzahlen, mit der Variante LX2401 wird zusätzlich ein 3poliges D2 Gehäuse angeboten.

Die wesentlichen Partner der Eurocomp Elektronik GmbH

Power Capacitors (conduction- and water cooled), Matching Transformers

High Precision Analog - High Performance Amplifiers, Precision Amplifiers, ADCs, DACs, Analog Switches. Interface – UART, USB, 12C/SPI, PCI, PCIe. Serial Transceivers – RS-232, RS485/422, Multiprotocol. Power Management – Switching Regulators & Controllers, LDOs, Power Switches, Voltage References, Supervisory ICs & LED Current Drivers. Programmable Digital Switching Controllers.

Transient Suppression – ESD Protection, Lightning Suppression, Low Cap High Speed, Modular Solutions. Power Management – LCD Backlight Drivers, LED Drivers, Class D Audio, PWM Switchers, LDOs, SCSI Term. Power Conditioning – Ideal Bypass Diodes, Rectifiers, Zeners, Regulators, Ref. Diodes, Current Limiters, Transisors, SCRs. Si & SiC Discrete Power Products – MOSFETs, FREDFETs, IGBTs, FREDs, SBDs & Schottkys. Power Modules – Low Profile-, Industrial Standard & Custom Package Versions. RF Power Products – Bipolar-, VDMOS, LDMOS & HV Transistors from 1 MHz…3,5 GHz

One stop Shop for Magnetic Products – Planar Magnetics for High Frequency Power Conversion, Transformers and Inductors, Surface Mount Multilayer Versions.

SSFET 30A, 650V normally off source switched FET with GaN HEMT using the bidirectional GaN HEMT to provide an ultra fast FWD, eliminating the need for a separate antiparallel SiC diode. RFJS 3006F - 3 lead TO247 with UL-recognized isolated mounting tab. RFJS3006F Evaluation Board – 2,4 kW Boost Converter Evaluation Board. Coming soon: RFJS1506Q – 8 x 8mm HV PQFN 15A, 650 V.

Standard and Custom EMI Filter Solutions – Medical, Telecom, Inverter & Military Grade.