Nahezu ideales Schaltverhalten - SiC-MOSFETs der 2. Generation

Power-MOSFET Nahezu ideales Schaltverhalten - SiC-MOSFETs der 2. Generation

14.11.2012Autor / Redakteur: Mrinal K. Das * / Gerd Kucera

Die Weiterentwicklung des SiC-MOSFET-Kanals hat Z-FETs für Stromstärken von 50 A bei Nennspannungen von 1200 und 1700 V ermöglicht. Bei 32 und 48 kHz Schaltfrequenz hat der 1200-V-G2-Z-FET über 99% Wirkungsgrad und 98,3% bei 100 kHz.

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Bild 1: On-Widerstand eines 1200-V-G2-MOSFET als Funktion der Gatespannung bei Zimmertemperatur und maximaler Sperrschichttemperatur

Der technologische Durchbruch hinsichtlich der Qualität des SiC-MOSFET-Kanals hat es Cree ermöglicht, eine zweite Generation von Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) zu produzieren, die sich gegenüber den ersten Produkten, den 1200-V-Z-FET-Bausteinen, durch höhere Nennströme und verbesserte Schalteigenschaften auszeichnen.

Die Entwicklung moderner Systeme zur Leistungsumwandlung wird nach wie vor durch die Notwendigkeit geprägt, immer strengeren Energieeffizienz-Standards gerecht zu werden und die Kosten des Gesamtsystems für den Kunden zu senken. Beides sind höchst ehrgeizige Ziele für Leistungshalbleiter auf Basis der konventionellen Siliziumtechnologie mit ihren eingeschränkten Schalteigenschaften. Die Einführung der für den kommerziellen Einsatz geeigneten Z-FET-Technologie hat es den Systemherstellern jedoch ermöglicht, neue Designs auszuloten, die nicht den Performance-Einschränkungen von Silizium-Leistungshalbleitern unterliegen. Der Z-FET von Cree ist der erste massenproduzierte, kommerziell verfügbare SiC-MOSFET.

Diese erste SiC-MOSFET-Generation hat hinsichtlich ihrer Schalteigenschaften gravierende Vorteile gegenüber Si-IGBTs. Jedoch fehlt die hohe Stromtragfähigkeit, die benötigt wird, um dem großen Leistungsbedarf wichtiger Märkte gerecht zu werden. Hierzu zählen vorwiegend im Dauerbetrieb arbeitende kommerzielle und industrielle Antriebe, auf deren Konto ein Großteil des weltweiten Stromverbrauchs geht. Nachfolgend wird die neueste Generation (G2) der Cree-Z-FETs vorgestellt, die den Forderungen nach höherer Stromfestigkeit und niedrigeren Kosten pro Ampere nachkommt.

Ein technologischer Durchbruch

SiC-MOSFETs unterscheiden sich von Si-MOSFETs dadurch, dass nur ein moderater Prozentsatz des gesamten On-Widerstands aus dem Kanal resultiert. Dies hat zwei Gründe. Erstens ist die kritische elektrische Feldstärke in Silizium geringer, sodass wesentlich dickere und niedriger dotierte Spannungs-Blockierschichten (Driftschichten) benötigt werden als bei SiC. Der Widerstand der Driftschichten ist deshalb bei Si mehr als rund 400-mal größer als bei SiC, und er dominiert damit den insgesamt gemessenen On-Widerstand der 1200-V-Bausteine. Zweitens wurde die Verbindung Gateoxid-SiC so verbessert, dass die Herstellung einer wettbewerbsfähigen ersten Generation von SiC-MOSFETs möglich war, deren Kanalwiderstand aber immer noch größer war als der von Si-MOSFETs.

Tabelle 1: Vergleich der spezifischen Widerstände von 1200-V-MOSFETs (alle Werte in mΩ-cm²)

Unter dem Strich führt dies dazu, dass der On-Widerstand von Z-FETs der ersten Generation bei Raumtemperatur zu 50% auf den Kanal entfällt und statische Leitungsverluste generiert. Die dynamischen Verluste werden durch die moderate Transkonduktanz und das bei einer höheren Spannung angesiedelte Miller-Plateau beeinflusst. Die weitere Optimierung der Grenzschicht zwischen Gateoxid und SiC ebnete den Weg zu einer neuen Generation von 1200-V-Z-FETs, deren Kanalwiderstand soweit reduziert wurde, dass er nur noch 30% des gesamten On-Widerstands ausmacht (einen Vergleich der spezifischen Widerstände von 1200-V-MOSFETs zeigt Tabelle 1). Der spezifische (auf die Fläche umgerechnete) Gesamt-On-Widerstand ist deshalb von 8 mΩ-cm² auf 5,6 mΩ-cm² zurückgegangen, was die kommerzielle Entwicklung großflächigerer Chips für bis zu 50 A bei Nennspannungen von 1200 und 1700 V ermöglicht.

Die Z-FETs der neuen Generation besitzen für ihre jeweiligen Nennspannungen die niedrigsten On-Widerstände der Industrie. Bei V_GS = 20 V im eingeschalteten Zustand weist der 1200-V-G2-Z-FET bei Raumtemperatur einen On-Widerstand von 24 mΩ auf, der bis 150 °C auf 40 mΩ ansteigt. Der Chip misst lediglich 4,04 mm x 6,44 mm (Bild 1 am Artikelanfang). Als diskretes Bauelement oder in Modulbauweise, mit einem Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse von ≤0,5 °C/W, verkraftet der 1200-V-G2-Z-FET somit einen Dauerstrom bis 50 A. Eine Messung der Gateladung offenbart ein reduziertes Miller-Plateau bei V_G = 7 V und eine Gesamt-Gateladung von 179 nC bei V_G = 20 V. Hieraus lässt sich entnehmen, dass der Baustein bei Gate-Spannungen von nur 12 V betrieben werden kann. Das Minimum der Leitungsverluste im On-Zustand wird jedoch erst bei 20 V erreicht (siehe Bild 1).

Bild 2: Kennlinien des 1200-V-G2-MOSFET, aufgetragen mit der Quadratwurzel des Drain-Sättigungsstroms. Dies erlaubt die lineare Extrapolation auf die Schwellenspannungen von 4,1 V bzw. 2,5 V bei 25 und 150 °C.

Die Kennlinie des 1200-V-G2-Z-FET (Bild 2) lässt ein deutlich schärferes Einschaltverhalten erkennen als der ursprüngliche Z-FET, wie aufgrund der verbesserten MOSFET-Kanalqualität zu erwarten ist. Die Kennlinie ist mit der Quadratwurzel des Drain-Sättigungsstroms aufgetragen, sodass die lineare Extrapolation auf die Spannungsachse gemäß der quadratischen Beziehung die Schwellenspannung ergibt. Bei Raumtemperatur lässt die Kennlinie ein gewisses sanftes Einschaltverhalten erkennen. Die extrapolierte Schwellenspannung beträgt hier 4,1 V. Bei 150 °C dagegen ist die Kennlinie sehr akzentuiert, und die Schwellenspannung sinkt auf 2,5 V. Die Transkonduktanz beträgt dagegen in beiden Fällen konstant ca. 22 S.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Z-FET-SiC-MOSFET und Z-Rec-SiC-Schottky-Dioden von Cree

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