Nahezu ideales Schaltverhalten - SiC-MOSFETs der 2. Generation

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Wie bei SiC-Leistungsbausteinen von Cree üblich, ist der Z-FET der Industriestandard mit dem am gesamten Markt die niedrigsten Leckstrom. Der 1200 V/50 A-Z-FET weist bei 1200 V einen Leckstrom von 2 µA auf, sodass das Stromverhältnis zwischen Ein- und Aus-Zustand 2,5x10⁷ beträgt. Derart niedrige Leckströme sind bei SiC-Leistungshalbleitern ein höchst wünschenswertes Merkmal, um die Effektivität des Screening-Prozesses zu maximieren, der dafür sorgt, dass keine Bauelemente mit Frühausfällen zur Auslieferung gelangen.

Bild 3: Das Abschaltverhalten des 1200-V-G2-Z-FET an einer induktiven Schaltung mit Klemmung weist schnelle Zustandswechsel ohne die bei IGBTs auftretenden Tail-Ströme auf
(Archiv: Vogel Business Media)

Der Z-FET ist ein selbstsperrender Baustein vom Anreicherungstyp, der über seinen gesamten Temperaturbereich hinweg bei einer Gate-Spannung von 0 V die volle spezifizierte Sperrspannung verkraftet. Diese Eigenschaft macht die Gate-Ansteuerschaltung einfacher und erleichtert das Integrieren dieser Technologie in bestehende, auf Si-MOS-Bausteinen basierende Leistungsumrichtern.

Mit dem neuen Z-FET wurden Doppelimpuls-Tests unter Verwendung einer standardmäßigen Anordnung zum Schalten einer induktiven Last mit Klemmung durchgeführt, mit einer Drossel von 856 µH und einem Kondensator von 42,3 µF. Ein externer Gatewiderstand von 3,8 Ω in Reihe mit dem internen Gatewiderstand von 1,5 Ω ergab einen Gesamt-Gatewiderstand von 5,3 Ω. Der Z-FET wurde mit 800 V im gesperrten Zustand geschaltet, und der Drainstrom nahm von 10 A auf 50 A zu.

Die Abschaltkurven für 50 A sind in Bild 3 wiedergegeben. Man erkennt das extrem schnelle Abschaltverhalten des Z-FET, wenn die Gatespannung im Ein-Zustand 20 V und im Aus-Zustand 0 V beträgt. Die Zeitachse ist auf den Moment bezogen, in dem die Gatespannung auf weniger als 10% des Werts im Ein-Zustand gefallen ist, sodass die Schaltzeiten abgelesen werden können. Die Abschaltverzögerung beträgt 50 ns, gefolgt von einer Spannungs-Anstiegszeit von 18 ns und einer Strom-Abfallzeit von 30 ns.

Sämtliche Zustandswechsel erfolgen sehr scharf und ohne irgendwelche Tail-Ströme, die der Schaltfähigkeit konventioneller Si-IGBTs Grenzen setzen. Schaltungsdesigner können deshalb mit höheren Schaltfrequenzen experimentieren, um die Gesamtkosten des Systems zu senken. Das im Diagramm erkennbare Schwingen entsteht übrigens nicht durch den geprüften Baustein, sondern ist schaltungsbedingt und ließe sich durch ein besser optimiertes Design minimieren.

Bild 4: Die Schaltverluste bei Doppelimpuls-Tests mit dem 1-200-V-G2-Z-FET betragen insgesamt nur 2,46 mJ bei 50 A und 800 V

Das Einschaltverhalten des 1200-V-G2-Z-FET wird durch das kapazitive Erholverhalten der 1200-V/50-A-Z-Rec-Schottkydiode der fünften Generation dominiert. Obwohl eine 25-A-Diode in vielen Fällen ausreichend wäre, wurde hier eine 50-A-Diode als Freilaufdiode gewählt, da diese den Bedingungen eines Worst-Case-Szenarios entspricht und für Motortreiber-Anwendungen am geeignetsten ist. Ungeachtet der großen Diode ergeben sich beim Ein- und Ausschalten vergleichbare Schaltzeiten und Energiewerte mit Gesamtverlusten von nur 2,46 mJ (Bild 4). Die Schaltverluste sind über die Temperatur einigermaßen konstant und machen ein Viertel der Gesamt-Schaltverluste eines 1200-V-IGBT4 bei 150 °C aus.

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

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