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Veränderung des Miller-Plateaus von SiC-MOSFETs

SiC hat eine höhere Trägermobilität und kann aufgrund der höheren Durchschlagsfestigkeit wesentlich dünner aufgebaut werden, was weniger Widerstand je Fläche bedeutet. Damit einher geht das Verhältnis von sinkendem Einschaltwiderstand bei steigender Gate-Spannung. Die Widerstandsänderung erfährt eine Sättigung über 18 V. Dieser Effekt führt auch zu einer Veränderung des Miller-Plateaus von SiC-MOSFETs über den Temperatur- und Strombereich. Zukünftige Chip-Generationen zielen darauf ab, diesen Effekt auf das Spannungsniveau von 15 V zu begrenzen.

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Das Miller-Plateau kann (abhängig vom Strom und der Temperatur) zwischen 3 bis 16 V liegen. Zur Vermeidung ungeplanter Schaltzustände muss die Ansteuerelektronik toleranzfrei eine Gate-Spannung über 18 V für einen sicheren Einschaltprozess liefern. SEMIKRON löst diese Forderung durch sekundärseitige Spannungsregelung, die zuverlässig temperaturunabhängige On-Gate-Spannung liefert. Diese erhöhte Gate-Spannung bedingt jedoch auch einen anderen Effekt.

Der Drain-Strom ist grob proportional zu (U_G-U_TH)². Das bedeutet dass die erhöhte Gate-Spannung zu einem erhöhten Kurzschlussstrom führt, welcher im Bereich vom zehnfachen Nominalstrom im Vergleich zu einem ca. vierfachen Nennstrom bei Si-IGBTs liegen kann. Um eine Erhöhung der Gate-Spannung und damit einen höheren Kurzschlussstrom zu vermeiden, kann ein zusätzliches Gate Clamping helfen.

Dazu kommt, dass SiC-MOSFETs kleiner sind und bei höherer Kurzschlussleistung eine geringere thermische Kapazität besitzen als Silizium. Daraus resultiert eine verkürzte Kurzschlussfestigkeit von SiC-MOSFETs. Standard-Si-IGBTs liegen im Bereich von 6 bis 10 µs, heute noch mit einer gewissen Sicherheitsmarge.

SiC-MOSFETs liegen je nach Hersteller heute in den Bereichen von 3 bis 5 µs, bei zukünftigen Entwicklungen ist das das Ziel größer 5 µs. Die Höhe des Kurzschlussstroms und die damit einhergehende Überspannung während des Abschaltens kann durch verschiedene Maßnahmen, wie Gate-Spannungsreduktion oder mehrstufige Abschaltalgorithmen erreicht werden.

Die große Herausforderung liegt jedoch in der schnellen Erfassung und Reaktion durch die Ansteuerelektronik. Somit muss eine effiziente Kurzschlusserfassung den Überstrom rechtzeitig erkennen, um thermische Überlast zu vermeiden und den Ausschaltprozess in der Form zu verlangsamen, dass die Drain-Source-Spannungen nicht zu hoch werden.

Die Erfassung in SEMIKRONs Treibern SKYPER erfolgt durch den Vergleich der V_DS-Spannung mit einer dynamischen Referenzlinie. Die Grenzen werden durch die Ausblendzeit und die Auslöseschwelle an das jeweilige Modul angepasst. Die Hochspannungsdiode und der Serienwiderstand haben definierte Offset-Spannungen mit geringen Toleranzen. Die Bandbreite, also die Geschwindigkeit der Erfassung, kann unabhängig von der Eingangsimpedanz angepasst werden. Somit reagiert der Treiber im Falle eines sehr schnellen, niederinduktiven Kurzschlusses ohne Ausblendzeit.

Die Diode hört bei starker Spannungsänderung auf zu leiten, der Filterkondensator C_I wird geladen und die Treiberelektronik kann je nach Filterauslegung unter 1 µs reagieren. Die SKYPER-Familie schaltet in diesem Fall mit einer separaten Ausgangsstufe soft mit Widerstandswerten im Bereich von 15 bis 40 Ω, also ca. dem 20-fachen Standard-Gate- Widerstand ab und vermeidet dadurch zuverlässig Überspannungen oder kritische Oszillationszustände.

Bei der Auslegung der Auslöseschwelle muss berücksichtigt werden, dass die Durchlassspannung linearer und nicht in gleichem Maß wie die Collector-Emitter Spannung des Si-IGBTs bei Entsättigung ansteigt. Dazu kommen die generell geringeren Durchlassspannungen je Fläche von SiC im Vergleich zu Si. In Abhängigkeit des verwendeten Modul/Chips liegen effiziente Kurzschluss-Auslöseschwellen in Bereichen von 2 bis 4 V im Vergleich zu 6 bis 8 V bei IGBT-Lösungen.

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