Siliziumkarbid für ein besseres Power Management

Anbieter zum Thema

ROHM Semiconductor GmbH

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Im Gegensatz dazu sind SiC-Schottky-Dioden durch niedrige Sperrverzögerungsströme und kurze Sperrverzögerungszeiten gekennzeichnet, die überdies weitgehend unabhängig von der Temperatur sind. Das Sperrverzögerungs-Verhalten der Body-Dioden von SiC-MOSFETs entspricht dem diskreter SiC-Schottky-Dioden, jedoch ist ihre Durchlassspannung höher. Die Schnelligkeit der Diode verringert die Einschaltverluste (E_on) um einige zehn Prozentpunkte. Die Schaltgeschwindigkeit hängt großenteils vom externen Gate-Widerstand R_g ab. Deshalb wird im Interesse eines schnellen Schaltens die Verwendung eines kleinen Gate-Widerstands von einigen Ω empfohlen, allerdings ist bei der Wahl des passenden Gate-Widerstands die entstehende Spannungsspitze einzukalkulieren.

Die herausragendste Eigenschaft der SiC-MOSFETs ist das Fehlen des bei IGBTs zu beobachtenden Stromschweifs. Die Abschaltverluste (E_off) von SiC-MOSFETs sind deshalb um etwa 90% geringer. Während der Stromschweif der IGBTs außerdem mit steigender Temperatur zunimmt, sind die Schalteigenschaften von MOSFETs nahezu temperaturunabhängig. Da die hohen Schaltverluste der IGBTs die Sperrschichttemperatur T_j ansteigen lassen, ist die Schaltfrequenz häufig auf 20 kHz oder weniger begrenzt. SiC-MOSFETs dagegen lassen sich dank ihres deutlich niedrigeren E_off-Werts mit deutlich höheren Schaltfrequenzen von über 100 kHz betreiben. Die passiven Bauelemente und die Kühlsysteme können außerdem erheblich kleiner dimensioniert werden.

Der interne Gate-Widerstand ist umgekehrt proportional zur Chipgröße

Der interne Gate-Widerstand hängt vom Flächenwiderstand des Materials der Gate-Elektrode und von der Chipgröße ab. Werden alle anderen Parameter unverändert gelassen, ist der interne Gate-Widerstand umgekehrt proportional zur Chipgröße: je kleiner der Chip, umso größer der Widerstand. Bei gleichen Eckdaten ist der Die eines SiC-MOSFET kleiner als ein Silizium-Die. Deshalb weisen SiC-MOSFETs tendenziell geringere Sperrschichtkapazitäten, aber höhere Gate-Widerstände auf. Der interne Gate-Widerstand des 1200 V/80 mΩ-SiC-MOSFET von ROHM beträgt beispielsweise 6,3 Ω.

Die Schaltzeit wird großenteils vom externen Gate-Widerstand bestimmt. Im Interesse hoher Schaltgeschwindigkeiten wird die Verwendung eines kleinen externen Gate-Widerstands empfohlen, wobei allerdings die Spannungsspitzen im Blick behalten werden müssen.

Als selbstsperrende, spannungsgesteuerte Bausteine lassen sich SiC-MOSFETs einfach und mit geringen Gate-Treiber-Verlusten ansteuern. Die grundlegende Ansteuermethode entspricht derjenigen, die auch bei IGBTs und Si-MOSFETs zum Einsatz kommt. Die Gate-Spannung zum Aus- und Einschalten liegt normalerweise zwischen 0 und 18 V. Wenn eine hohe Störfestigkeit und kurze Schaltzeiten verlangt werden, kann die Ansteuerspannung auch bis -3 V oder -5 V angelegt werden.

Ebenso wie Silizium-MOSFETs enthalten SiC-MOSFETs eine parasitäre (Body-)Diode, die durch die pn-Sperrschicht gebildet wird. Allerdings weist die Body-Diode von SiC-MOSFETs eine hohe Schwellenspannung von rund 3 V und eine relativ hohe Durchlassspannung (V_f) auf, denn die Bandlücke von SiC ist etwa dreimal größer als die von Silizium.

Wird an einen Silizium-MOSFET eine antiparallele Freilaufdiode angeschlossen, muss eine zusätzliche, für niedrige Spannungen ausgelegte Sperrdiode mit dem MOSFET in Reihe geschaltet werden, um einen Stromfluss durch die ‚langsame‘ Body-Diode zu unterbinden. Der Grund hierfür ist, dass der V-_fWert der Body-Diode im Silizium-MOSFET ungefähr dem der externen Diode entspricht. Ein höherer Bauteileaufwand und größere Leitungsverluste sind die Folge.

Bei SiC-MOSFETs ist dieser Aufwand dagegen nicht nötig, da der V_f-Wert ihrer Body-Diode gegenüber dem einer typischen externen Freilaufdiode ausreichend hoch ist. Der hohe V_f-Wert der Body-Diode lässt sich reduzieren, indem wie in Synchrongleichrichter-Schaltungen die Gate-Spannung eingeschaltet wird, um den Strom in Gegenrichtung zu leiten. Da in Wechselrichtern das Gate der Schaltbausteine im kommutierten Zweig oft erst nach dem Verstreichen der Totzeit eingeschaltet wird, wird die Body-Diode nur während dieser Totzeit mit dem Kommutierungsstrom beaufschlagt. Somit stellt der hohe V_f-Wert der Body-Diode auch dann kein Problem dar, wenn eine Brückenschaltung ausschließlich mit SiC-MOSFETs bestückt, das heißt ohne parallelgeschaltete SiC-Schottky-Dioden, aufgebaut ist. Die Sperrverzögerungszeiten der Body-Dioden von SiC-MOSFETs sind extrem kurz.

SiC-MOSFET in Wechselrichter-Anwendungen

Die Body-Diode eines SiC-MOSFET besteht aus einer pn-Sperrschicht mit kurzer Minoritätsträger-Lebensdauer.

Der Sperrverzögerungsstrom resultiert in erster Linie aus dem Entladen der Sperrschichtkapazität, und die Sperrverzögerungs-Eigenschaften entsprechen jenen einer diskreten SiC-Schottky-Diode.

Die Sperrverzögerungs-Verluste können deshalb gegenüber der Body-Diode eines Silizium-MOSFET oder einer Silizium-FRD, die als Freilaufdiode für einen IGBT dient, auf einige Prozent bzw. einige 10% gesenkt werden.

Ebenso wie bei einer Schottky-Diode ist die Sperrverzögerungszeit der Body-Diode unabhängig vom Durchlassstrom I_f und bei gegebenem dI/dt-Wert konstant.

In Wechselrichter-Anwendungen kann ein SiC-MOSFET mit oder ohne antiparallele SiC-Schottky-Diode sehr geringe Sperrverzögerungs-Verluste erzielen; wegen der sehr niedrigen Sperrverzögerungsströme sind außerdem geringere Störaussendungen zu erwarten.

Die wesentlichen Vorteile der neuen Trench-Architektur, die ROHM jetzt bei SiC-Bausteinen einsetzt, sind der vertikal extrem niedrige spezifische Widerstand, große Robustheit durch den Wegfall des JFET-Widerstandsanteils und höhere Kanalmobilität.

* Jochen Hüskens ist Product Manager European Product Marketing bei ROHM, Willich.

(ID:43018192)