Siliziumkarbid für ein besseres Power Management

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ROHM Semiconductor GmbH

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

SiC-Bausteine sind dagegen zum Erzielen eines niedrigen Durchlasswiderstands auf keine Leitfähigkeitsmodulation angewiesen, da ihre Driftregion einen wesentlich geringeren Widerstand besitzt als bei Si-Bausteinen. Bei MOSFETs kommt der Stromschweif prinzipbedingt nicht vor, und so entstehen bei SiC-MOSFETs deutlich niedrigere Schaltverluste als bei IGBTs, was wiederum höhere Schaltfrequenzen ermöglicht und die Verwendung kleinerer passiver Bauelemente sowie kleinerer und kostengünstigerer Kühlsysteme erlaubt.

Verglichen mit Silizium-MOSFETs mit 600 bis 900 V Sperrspannung besitzen SiC-MOSFETs eine kleinere Chipfläche (wodurch die Verwendung kleinerer Gehäuse zulässig ist) und sind durch extrem geringe Sperrverzögerungs-Verluste der Body-Diode gekennzeichnet.

Weil die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums bei SiC zehnmal größer ist als bei Si, lassen sich mit einer dünnen, stark dotierten Driftschicht hohe Durchbruchspannungen erzielen. Bei gleicher Durchbruchspannung weisen SiC-Bausteine deshalb einen sehr geringen spezifischen On-Widerstand auf (On-Widerstand pro Flächeneinheit).

Bei gleichem On-Widerstand besitzt ein 900-V-SiC-MOSFET beispielsweise eine 10-mal geringere Chipfläche als ein Silizium-Superjunction-MOSFET; und gegenüber einem Silizium-MOSFET reduziert sich die Fläche sogar um den Faktor 35.

Durch die kleinere Chipfläche verringern sich wiederum auch die Gate-Ladung (Q_g) und die Gate-Kapazität. Hinzu kommt, dass es existierende Silizium-Superjunction-MOSFETs nur für Durchbruchspannungen bis etwa 900 V gibt, während SiC-MOSFETs auch bei Durchbruchspannungen bis 1700 V und darüber mit niedrigen On-Widerständen aufwarten können, wie dies bei ROHMs neuestem MOSFET der Fall ist. Da SiC-MOSFETs anders als IGBTs keine Schwellenspannung (Kniespannung) aufweisen, arbeiten sie über einen weiten Strombereich hinweg mit niedrigen Leitungsverlusten. Der On-Widerstand von Silizium-MOSFETs ist bei 150 °C mehr als doppelt so hoch wie bei Zimmertemperatur, während der On-Widerstand von SiC-MOSFETs nur mit einer relativ niedrigen Rate ansteigt, sodass sich hier die thermische Auslegung vereinfacht und der On-Widerstand auch bei hohen Temperaturen gering ist.

SiC-MOSFETs nicht mit V_gs-Werten unter 13 V betreiben

Während der Widerstand der Driftschicht bei SiC-MOSFETs grundsätzlich geringer ist, ist ihr Kanalwiderstand infolge der für SiC-typischen geringeren Ladungsträger-Mobilität höher. Folglich ist der On-Widerstand umso geringer, je höher die Gate-Spannung ist. Wenn V_gs über 20 V angehoben wird, gerät der Widerstand allerdings zunehmend in die Sättigung.

Mit der üblicherweise bei IGBTs und Silizium-MOSFETs verwendeten Gate-Spannung (V_gs) von 10 bis 15 V erreicht der SiC-MOSFETs noch nicht den geringsten On-Widerstand. Bei ihnen wird stattdessen die Ansteuerung mit einem V_gs-Wert von 18 V empfohlen, um einen hinreichend niedrigen On-Widerstand zu erzielen. Vom Betrieb von SiC-MOSFETs mit V_gs-Werten unter 13 V wird abgeraten, da es hier zu einem thermischen Durchgehen kommen kann.

Die Schwellenspannung von SiC-MOSFETs entspricht ungefähr derjenigen von Silizium-MOSFETs und beträgt (bei selbstsperrenden Bausteinen) rund 3 V bei Zimmertemperatur und wenigen mA. Da aber eine Gate-Spannung von etwa 8 V oder mehr notwendig ist, damit ein Strom von einigen A fließen kann, lässt sich den SiC-MOSFETs verglichen mit IGBTs eine höhere Immunität gegen ungewolltes Einschalten durch Störbeeinflussungen bescheinigen. Die Schwellenspannung nimmt mit steigender Temperatur ab.

Die Einschaltzeit von SiC-MOSFETs liegt mit einigen 10 ns auf dem Niveau von Silizium-IGBTs und -MOSFETs. Beim Schalten induktiver Lasten aber fließt ein Sperrverzögerungsstrom infolge der Kommutierung der Dioden im oberen Zweig durch den unteren Zweig. Die sehr hohen Sperrverzögerungsströme bei Silizium-FRDs und den Body-Dioden von Silizium-MOSFETs führen zu großen Verlusten, die zudem bei hohen Temperaturen tendenziell weiter ansteigen.

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