SiC-Modul mit neuer MOSFET-Struktur für erhöhte Leistung

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Es gelang, die Zuverlässigkeitsprobleme zu beheben

Das als Bipolar-Degradation bekannte Phänomen ist trotz der sehr kurzen Zeitspanne zur Unterbindung von Querströmen nach wie vor ein ernstes Problem. Durch Verbessern der Prozesse und Bausteinstrukturen in Zusammenhang mit Kristalldefekten gelang es ROHM, die Zuverlässigkeitsprobleme hinsichtlich der Body-Diode zu beheben und über eine Dauer von 1000 Stunden ohne Veränderung der Eigenschaften zu belegen.

Die Body-Dioden von SiC-MOSFETs weisen die gleichen kurzen Sperrverzögerungszeiten auf wie Schottky-Dioden (Bild 3), was die elektromagnetischen Interferenzen reduziert und die Verluste auf ein Level senkt, das Si-MOSFETs nicht erreichen können. Der bei hohen Temperaturen auftretende Sperrverzögerunggsstrom ist im Vergleich zu Si-Fast-Recovery-Dioden nur gering (Bild 4). Die reduzierten Verluste und die mehr als 50 kHz betragende Betriebsfrequenz sorgen auch dafür, dass kleinere Peripheriebausteine verwendet werden können, was eine weitere Miniaturisierung zulässt.

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All diese Überlegungen führten zur Umsetzung eines SiC-Modules ohne Freilaufdioden. Des Weiteren kam zum Tragen, dass SiC-MOSFETs wegen des höheren Gate-Widerstands und des positiven Temperaturkoeffizienten des On-Widerstands parallel geschaltet werden können. Im Vergleich zu Si-IGBTs lassen sich Gate- und Drainströme leichter ausgleichen.

Beim Parallelschalten von Bausteinen mit negativem Temperaturkoeffizienten ihres On-Widerstands (Bild 5) kann es schlimmstenfalls passieren, dass sich der gesamte Stromfluss auf den Chip mit dem niedrigsten R_on-Wert konzentriert, was zu thermischer Instabilität führt. Wenn die empfohlene Gate-Source-Spannung für den On-Zustand verwendet wird, hat der On-Widerstand von SiC-MOSFETs hingegen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Damit ist ihre Parallelschaltung um einiges einfacher.

ROHM führte mit einem aus MOSFETs mit verschiedenen R_on-Werten bestehenden Modul ein Experiment durch, um den Current-Crowding-Effekt aufgrund verschiedener R_on-Werte zu analysieren. Der Test zeigte auf, dass die anfangs großen Temperaturunterschiede aufgrund ihres positiven Temperaturkoeffizienten zwischen den MOSFETs nach und nach automatisch ausgeglichen wurden.

Ein Risiko beim Parallelschalten stellen unterschiedliche Gate-Ströme während des Einschaltens dar. Bei parallel geschalteten Si-IGBTs können z.B. wegen des geringen internen Gate-Widerstands die einzelnen Gate-Ströme leicht durch unterschiedliche Streuinduktivitäten beeinflusst werden, was zur Zerstörung der Bauelemente durch Stromspitzen und davon ausgelösten Oszillationen führen kann. Im Unterschied zu den Si-IGBTs sorgt der relativ große interne Gate-Widerstand der SiC-MOSFETs dafür, dass sich die Gate-Ströme gleichmäßiger auf die parallel geschaltenen Chips verteilen. Dies erleichtert das Parallelschalten mehrerer SiC-MOSFET-Chips deutlich, ohne ungleiche Drain- und Gate-Ströme zu verursachen. Resonanzschwingungen und thermisches Durchgehen werden so vermieden.

Das ausschließlich auf bestehenden SiC-DMOS-Elementen basierende Power-Modul erschließt ein breites Anwendungsfeld. Bei einer Nennspannung von 1200 V wurde in Verbindung mit einer Reduktion des R_on-Wertes um 40% der Nennstrom von 120 auf 180 A angehoben; gleichzeitig sinken im Vergleich zu Si-IGBT-Modulen die Schaltverluste um bis zu 85% (Bild 6). Die Abmessungen des Bausteins blieben dabei unverändert.

Im Online-Artikel mit der Nummer 42511357 finden Sie weiterführende Links zum Datenblatt und zur Application Note.

* * Jochen Hüskens ist Product Manager im Product Marketing bei ROHM Semiconductor GmbH, Willich-Münchheide.

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