SiC-MOSFET Tipps für den Umstieg vom IGBT zum SiC-MOSFET

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Damit die Vorteile von SiC-Devices sicher zum Tragen kommen, sind möglicherweise Änderungen am System-Design notwendig. Tipps und technische Hinweise zeigen beispielhaft die Herausforderungen.

Die Eigenschaften und Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) wurden mittlerweile umfassend demonstriert. SiC hat den Beweis erbracht, dass es das geeignete Material für Leistungsschalter im Hochspannungs- und Hochfrequenzbereich ist. Wie Bild 1 zeigt, wurden in den letzten Jahren bereits zahlreiche Bauelemente auf SiC-Basis vorgestellt. Mittlerweile sind einige Produkte auch schon mit bedeutenden Verbesserungen in der zweiten oder gar dritten Generation im Markt eingeführt worden.

Zunächst, d.h. in den frühen 2000er Jahren, wurden mit Schottky-Barrier-Dioden (SBD) die ersten SiC-Bausteine implementiert, die in großem Umfang in den Leistungsfaktor-Korrekturstufen (PFC) einphasiger Schaltnetzteile (SMPS) eingesetzt wurden. Mit ihrer sehr geringen Sperrverzögerungsladung reduzierten sie die dynamischen Verluste in der Diode selbst und im kommutierenden Schalter erheblich. Seit einiger Zeit kommen SiC-SBDs auch in weiteren Anwendungen wie etwa PV-Wechselrichtern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen zum Einsatz.

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Was die aktiven Schalter betrifft, kamen im Jahr 2010 die ersten selbstsperrenden SiC-Schaltbausteine auf Basis einer MOSFET-Struktur auf den Markt. Diese Bauelemente vereinfachten die Gate-Treiber-Schaltung und ermöglichten eine reibungslosere Umstellung von standardmäßigen Silizium-IGBTs und Superjunction-MOSFETs. Als Konsequenz hieraus fassten mehrere Elektronikunternehmen, meistens aus industriellen Anwendungsgebieten, die SiC-Schalter als kurzfristiges Ziel ins Auge und starteten Entwicklungsprojekte mit SiC-MOSFETs. Nach gründlichen Qualifikations-Verfahren auf der Systemebene gingen aus einem Teil dieser Projekte kürzlich reale Produkte hervor, die dann in den praktischen Einsatz gelangten.

Allerdings ist die Umstellung auf SiC-MOSFETs durch einige Besonderheiten geprägt. Damit die Vorteile dieser Bauelemente maximal und sicher zum Tragen kommen können, sind möglicherweise bestimmte Änderungen am Systemdesign notwendig. In diesem Artikel geht es um einige der Herausforderungen, die sich vor und während der Entwicklungsphase ergeben. Es werden technische Hinweise gegeben und in einigen Fällen wird anhand praktischer Beispiele gezeigt, wie sich diese Anforderungen lösen lassen.

Zu den wichtigsten Aspekten für Entwicklungsingenieure gehört die Zuverlässigkeit von SiC-Bauelementen. Dies ist durchaus verständlich, denn mit SiC konnte man bisher noch nicht dieselben Erfahrungen sammeln wie mit entsprechenden IGBTs und MOSFETs in Silizium. Wie der Tabelle (Bild 7) zu entnehmen ist, basieren die Qualifikationsprozesse für Silizium- und SiC-Bauelemente auf gleichen Prüfbedingungen.

ROHM führt verschiedene weitere Tests durch, um die Qualität und die Lebensdauer ihrer Produkte zu gewährleisten. Ergebnisse aus diesen Tests können nach Kundenanfrage direkt mitgeteilt werden. Zusätzlich sind weitere Tests, auch außerhalb der Normen, nach Absprache von ROHM Semiconductor durchführbar.

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