SiC-Leistungs-MOSFETs weiter verbessert

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Die Verbesserungen demonstrieren die Bilder 1 und Bild 2. Bild 1 vergleicht die Verluste von Si-MOSFET und IGBT bei 3 kHz mit SiC-Modul betrieben bei 20 kHz. Bild 2 unterschiedet nochmals zwischen Schaltverlusten und Verlusten im leitenden Zustand.

Bild 2: Vergleich zwischen Schaltverlusten und Verlusten im leitenden Zustand der verschiedenen Leistungshalbleitertechnologien.
(Bild: Microsemi/Eurocomp)

Das SiC Modul ist bei 20 kHz effizienter als ein IGBT Modul bei 3 kHz. Und ein 50 A SiC Modul ist effizienter als ein 150 A IGBT Modul, bzw. hat ein 300A SiC Modul bei 10 kHz geringere Verluste als ein 900 A Si IGBT bei 3 kHz.

Kommerziell verfügbare SiC-MOSFETs

Durch nachfolgend beschriebene Maßnahmen und technologische Verbesserungen ist Microsemi in der Lage, erste kommerziell verfügbare SiC-MOSFETs mit wesentlich verbesserten Merkmalen anzubieten. Diese Maßnahmen führten zu höheren Betriebstemperaturen, zu höheren Arbeitsfrequenzen, zu einem geringerem externen Gatewiderstand, zu einem weiteren SOA und zu einem besseren dV/dt Verhalten.

SiC-MOSFETs eignen sich generell für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Microsemi spezifiziert seine neuen SiC-MOSFETs bei Sperrschicht- und Betriebstemperaturen von 175 °C (Tj und Toper). Bei diesen erhöhten Temperaturen sind folgende Parameter zu beachten:

SiC-MOSFETs sind "normally off" bei diesen Temperaturen, d.h. Vth sollte einen positiven Wert haben, am besten mehr als 1 V. Die SiC-MOSFETs von Micrsemi weisen einen Wert von 3 V auf!

der Idss muss bei maximaler Tj gering sein

die BVdss zeigt eine Anstieg bei maximaler Tj

der Rdson darf einen vertretbaren (nicht zu starken) Anstieg mit zunehmender Temperatur zeigen

SiC-MOSFETs zielen Applikationen mit hohen Frequenzen an (100 kHz oder höher). Dabei bietet ein externer Gatewiderstand von geringem oder hohem Wert Designfreiheit für den Entwickler. Microsemis Wert für den Intrisic R_g ist nahe 1 Ohm, im Gegensatz zum Mitbewerb, der Intrinsic R_g Werte von 5 bis 6 Ohm oder gar höher aufweist.

Die FOM (Figure of Merit) ist die maximale Betriebsfrequenz, definiert als F_max =( (Tj-Tc)/R_th –R_on*Ic^2*D) / (E_on +E_off). Durch den geringen R_dson, den geringen R_th und hohe Tj haben die SiC-MOSFETs von Microsemi eine sehr hohe F_max.

Das verbesserte dV/dt Verhalten der neuen MOSFETs wurde durch die Eliminierung des Gatepad P-doped Bereichs erzielt. Das eliminiert den Löcherstrom, der in konventionellen Design unter den Gatepads auftritt (bei einem parasitären NPN Design bedeutet weniger Löcherstrom eine größeres dV/dt um einen Strom zu generieren, der einen Latch up auslöst).

Aufgrund der beschriebenen Maßnahmen kann Microsemi im Mai 2014 rechtzeitig zur PCIM Messe SiC-MOSFETs in TO-247 und SOT-227 Gehäusen mit den genannten Vorteilen präsentieren. Es sind Typen für:

1200 V, 80 mΩ, 40 A, 175°C und

1200 V, 50 mΩ, 50 A, 175 °C.

Tabelle: Wesentlichen Parameter und die Zeitpunkte der Markteinführung von Microsemis SiC-MOSFEts im TO-247 und SOT-227 Gehäuse.
(Bild: Microsemi/Eurocomp)

Tabelle 1 zeigt die wesentlichen Parameter und die Zeitpunkte der Markteinführung. Für den Sommer 2014 ist ein weiterer Typ im SOT-227 für leistungsstärkere Applikationen mit Strömen von mindestens 60 A geplant, der einen Rdson von 40 mOhm aufweist. Bild 3 zeigt die erhältlichen Gehäuseformen TO-247 und SOT-227.

Schlussbemerkung

Bild 3a: SOT-227 Gehäuse
(Bild: Microsemis/Eurocomp)

Mit den angekündigten SiC-Leistungs-MOSFET stehen jetzt Wide-Band-Gap MOSFET für erste Designs mit 1200 V bis 50 A zur Verfügung. Ihr Einsatz führt zu höherer Systemeffizienz und ermöglicht höhere Systemschaltfrequenzen. Auch werden die Anforderungen an das Wärmemanagement geringer und die Sicherheit gegen Lawinendurchbruch ist wesentlich erhöht. Durch den geringen R_dson , die hohe zulässige Betriebsspannung und die hohe Stromtragfähigkeit (sowohl kontinuierlich wie bei Spitzenstrom) ist der sichere Arbeitsbereich (SOA) wesentlich erweitert. Durch den Aufbau des Transistors mit einem stabilen und driftarmen Dual-Metal Gateoxyd Prozess wird verhindert, dass ein „normaly On“-Zustand erreicht wird.

Bild 3b: Microsemis SiC-MOSFETs im TO-247. Im Gegensatz zum Mitbewerb hat Microsemi das Feuchteproblem beim TO-247 im Griff. Dies durch ein spezielles Layout der Guardrings auf dem Chip.
(Bild: Microsemis/Eurocomp)

Damit sind jegliche Frühausfälle ausgeschlossen und Leistung und Effizienz beim Einsatz in Wechselrichtern bleibt über die Zeit konstant. Die vereinfachte Gateschaltung lässt Ansteuerspannungen von -20 V bis +25 V zu, wobei bereits bei +15 V der spezifizierte R_dson erreicht wird. Für diesen Ansteuerspannungsbereich werden am Markt passende Gatetreiber angeboten.

* Wolfgang Knitterscheidt ist Geschäftsführer der Eurocomp GmbH in Bad Nauheim, Siegfried W. Best ist freier Redakteur in Regensburg

(ID:42668438)

Wide-Band-Gap Halbleiter

SiC-Leistungs-MOSFETs weiter verbessert

Kommerziell verfügbare SiC-MOSFETs

Schlussbemerkung