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Unterschiedliche Versionen von SBD-SiC-Dioden

Um Entwicklern möglichst kostengünstige Lösungen bereitzustellen, haben einige Anbieter neue SBD-Versionen von SiC-Komponenten auf den Markt gebracht. Allerdings weisen diese immer noch die bereits erwähnten Schwachpunkte auf – und damit niedrigere Durchbruchspannungen und höhere Leckströme als MPS-Dioden. Außerdem mangelt es SiC-Schottky-Dioden mit SBD-Struktur an den erweiterten Schutzfunktionen in Bezug auf den Vorwärtsstrom, über die MPS-Versionen verfügen.

Wurden SBD-Dioden im Rahmen von Tests kontinuierlich einem Lawinenstrom ausgesetzt, stellten sich physische Schäden an der Struktur der Diode ein. Zudem verringerte sich die Durchbruchspannung. Bei MPS-Dioden war unter vergleichbaren Bedingungen dagegen ein stabiler Betrieb zu verzeichnen.

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Unterschiedliche Dioden-Typen identifizieren

Systementwickler möchten in manchen Fällen wissen, welche Dioden zur Kategorie der SBD-, JBS- oder MPS-Komponenten gehören. Denn dies kann Auswirkungen auf das System-Design haben. Normalerweise veröffentlichen die Hersteller in den Datenblättern der SiC-Schottky-Dioden keine Informationen über deren Struktur. Allerdings sind diese Daten häufig auf Nachfrage erhältlich.

Teilweise gibt auch ein Vergleich von Datenblättern Hinweise auf die Struktur. So weisen SBD-Komponenten in der Regel deutlich größere Rest-Sperrstromwerte auf als vergleichbare JBS- und MPS-Dioden, vor allem bei höheren Temperaturen. Außerdem sind höhere Durchlasswerte in der Vorwärtsrichtung ein Indiz dafür, dass es sich um eine MPS-Diode handelt. Diese Werte sind in etwa doppelt so hoch wie bei vergleichbaren SBD-Modellen. Die Tabelle stellt die Werte von Cree Wolfspeed-MPS-Dioden und konventionellen SBD-Dioden gegenüber. Als Basis dienen die Angaben in den entsprechenden Datenblättern. Zu erkennen sind die typischen Unterschiede bei den Leckströmen und den Durchlasswerten.

Entwickler, denen die entsprechenden Hilfsmittel zur Verfügung stehen, können zudem Labortests der einzelnen Dioden durchführen. Werden die Bauelemente extremen Vorwärts- und Sperrvorspannungen ausgesetzt, zeigen sie ein unterschiedliches Verhalten. Liegt beispielsweise ein fünf bis zehn Mal so starker Vorwärtsstrom an, ist bei einer MPS-Diode eine stark ansteigende parabolische Kurve zu beobachten. Dies ist bezeichnend beim Einschalten der P-i-N-Dioden. Bei einem SBD-Modell kommt es dagegen unter diesen Bedingungen zu einer Sättigung. Dies spiegelt sich in einer asymptotischen, abgeflachten Kurve wider. Das deutet auf eine mögliche Fehlfunktion hin. Wird eine Sperrvorspannung angelegt, tritt bei der SBD-Diode außerdem ein höherer Leckstrom auf als bei vergleichbaren JBS- und MPS-Komponenten. Weiterhin wird der Durchbruch bei niedrigeren Spannungswerten eingeleitet als bei JBS-/MPS-Dioden.

Fazit: Die aktuelle Generation von SiC-Schottky-Dioden im Junction-Barrier-Schottky- oder Merged-PIN-Schottky-Design ist bereits seit zehn Jahren verfügbar und hat einen hohen Reifegrad erreicht. Dagegen befinden sich SiC-Schottky-Barrier-Dioden noch weiterhin in der Einführungsphase, obwohl diese vor den JBS- bzw. MPS-Dioden verfügbar waren. Etablierte Hersteller wie Wolfspeed haben jedoch bereits nach dem Release der ersten SBD vor mehr als 10 Jahren, aufgrund der Nachteile der SBD Technologie, auf die JBS- bzw. MPS-Struktur umgestellt. Zwar haben mehrere Hersteller bereits die zweite Generation von SBD-Produkten auf den Markt gebracht, viele Komponenten basieren jedoch noch auf der ersten Design-Stufe.

Es ist davon auszugehen, dass die Hersteller Vorkehrungen treffen, um hochwertige und zuverlässige Produkte herzustellen. Dennoch besteht das Risiko, dass SiC-Schottky-Barrier-Dioden auf Basis dieser neuen Technologien bereits nach kurzer Zeit Defekte aufweisen. Allerdings stehen noch nicht genügend FIT-Daten (Failure in Time) zur Verfügung, um eine abschließende Bewertung vornehmen zu können.

Anders stellt sich die Situation bei den SiC-MPS-Schottky-Dioden der Wolfspeed-Reihe dar. Mittlerweile steht den Schaltungsentwicklern die fünfte Design-Iteration dieser Dioden in Form von kommerziellen Produkten zur Verfügung.

* Dr. Thomas Barbieri ist Product Line Manager im Bereich Schottky-Dioden, SiC Power Products, bei Wolfspeed, einem Unternehmen von Cree.

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