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Power-MOSFET

Nahezu ideales Schaltverhalten - SiC-MOSFETs der 2. Generation

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1700-V-Z-FET-Bausteine der zweiten Generation

Abgesehen von 1200 V wurde die neue G2-Technologie auch zur Produktion des weltweit ersten kommerziell verfügbaren 1700-V-SiC-MOSFET für eine Stromstärke von 50 A verwendet. Bei VGS = 20 V im Ein-Zustand weist der 1700-V-Z-FET bei Raumtemperatur einen On-Widerstand von 40 mΩ auf, der bis 150 °C auf 80 mΩ ansteigt.

Tabelle 2: Vergleich der elektrischen Parameter von MOS-Gate-Schaltern für 1700 V/50 A bei 25 °C (sofern nicht anders angegeben)
Tabelle 2: Vergleich der elektrischen Parameter von MOS-Gate-Schaltern für 1700 V/50 A bei 25 °C (sofern nicht anders angegeben)
Die Chip-Abmessungen betragen lediglich 4,08 mm x 7,35 mm. Viele Parameter ähneln jenen des zuvor beschriebenen 1200-V-G2-Z-FET. Sie sind in Tabelle 2 den Kenndaten eines 1700-V-IGBT4 gegenübergestellt. In seinen Leitungsverlusten ähnelt der 1700-V-Z-FET dem 1700-V-IGBT, doch die Schaltverluste sind erheblich niedriger und machen nur ein Zehntel der Schaltverluste des 1700-V-IGBT4 aus.

Der SEPIC-Test bestätigt über 99% Wirkungsgrad

Ultimativ beurteilen lässt sich die Eignung eines Leistungsschalters am besten in einer realen Wandlerschaltung, in der das Bauelement sämtlichen Betriebszuständen (Leiten, Sperren, hartes Schalten) ausgesetzt wird. Im vorliegenden Fall kommen die Z-FET-Schalter in den zentralen Schaltungsteilen eines SEPIC-Wandlers (Single-Ended Primary-Inductor Converter) zum Einsatz. Hier lassen sich die Schaltverluste präzise messen, während Betriebsparameter wie Spitzenstrom und Schaltfrequenz einfach verstellt werden können.

Bild 5: Einen hohen Wirkungsgrad erzielt der 1200-V-G2-Z-FET im Schaltbetrieb in einem SEPIC-Wandler bei 32 kHz, 48 kHz und 100 kHz
Bild 5: Einen hohen Wirkungsgrad erzielt der 1200-V-G2-Z-FET im Schaltbetrieb in einem SEPIC-Wandler bei 32 kHz, 48 kHz und 100 kHz
Die Prüfung des 1200-V-G2-Z-FET erfolgt mit einer Spannung von 800 V am Schalter und 50% Tastverhältnis (Bild 5). Bei 32 kHz und 48 kHz bringt es der 1200-V-G2-Z-FET auf einen Wirkungsgrad von über 99%, und selbst bei 100 kHz Schaltfrequenz erzielt der Baustein eine hervorragende Maximal-Effizienz von 98,3%.

Der 1700-V-Z-FET wird im SEPIC-Wandler mit einer Spannung von 1000 V, einer Schaltfrequenz von 32 kHz und einem Tastverhältnis von 50% betrieben und kommt ähnlich wie der 1200-V-G2-Z-FET in einem weiten Strombereich auf einen Wirkungsgrad η > 99% (Bild 6).

Bild 6: Der 1700-V-Z-FET bringt es im SEPIC-Wandler bei 32 kHz und 50% Tastverhältnis auf einen hohen Wirkungsgrad von über 99%
Bild 6: Der 1700-V-Z-FET bringt es im SEPIC-Wandler bei 32 kHz und 50% Tastverhältnis auf einen hohen Wirkungsgrad von über 99%
Diese Ergebnisse bestätigen somit das nahezu ideale Schaltverhalten, das nach den Tests der diskreten Bauelemente zu erwarten war. Die erzielten hohen Wirkungsgradwerte sind außerdem unerreicht bei derart hohen Frequenzen, bei denen die Effizienz von Si-IGBTs um viele Prozentpunkte geringer wäre.

* * Dr. Mrinal K. Das ist Power Device Scientist und Product Marketing Manager bei Cree, Durham/North Carolina, USA

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