SiC-MOSFET Überlegungen und Vergleiche zur Anwendung von SiC-Power-MOSFET

Power-MOSFET auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) haben spezielle Merkmale, wodurch sie, verglichen mit entsprechenden Silizium- Bauteilen, besonders als Schalter geeignet sind. Der Beitrag vergleicht Siliziumbausteine von Infineon, Fairchild, International Rectifier und Microsemi mit dem SiC-MOSFET CMF20120D von Cree.

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In der Fachliteratur wurden die Vorteile von SiC-MOSFET bereits in großem Umfang gewürdigt. Damit das Potenzial dieser Bauelemente in vollem Umfang genutzt werden kann, müssen jedoch einige besondere betriebliche Besonderheiten exakt verstanden werden.

Was zeichnet SiC-MOSFET-Bausteine aus? Das fundierte Verständnis der spezifischen betrieblichen Eigenschaften von SiC-MOSFET ist die Voraussetzung dafür, diese Bauelemente erfolgreich einsetzen zu können. In diesem Abschnitt geht es um den SiC-MOSFET CMF20120D von Cree (1200 V, 80 mΩ). Es werden Vergleiche mit entsprechenden Siliziumbausteinen angestellt und die Auswirkungen auf die Applikation diskutiert. Bei dieser Gegenüberstellung geht es nicht darum, den besten Baustein herauszufinden, sondern es sollen vielmehr die unterschiedlichen betrieblichen Eigenschaften herausgestellt werden.

Als Silizium-Vergleichsbausteine kamen zum Einsatz:

• Der Silizium-Superjunction-MOSFET (SJMOSFET) Infineon IPW90R120C3 (900 V, 0,12 Ω)

• Der Trench/Field Stop (TFS) Silizium-IGBT vom Typ Fairchild FGA20N120FGD (1,2 kV, 20 A)

• Der Non-Punch Through (NPT) Silizium-IGBT International Rectifier IRGP20B120U (1,2 kV, 20 A)

• Der Silizium-MOSFET (Si MOS8) Microsemi APT34M120J (1,2 kV, 0,30 Ω)

Diese vier Vergleichsprodukte sind repräsentativ für kommerziell angebotene Silizium-IGBTs und MOSFETs, die ähnliche Nennspannungen und -ströme aufweisen wie der CMF20120D. Während der TFS-IGBT ein typischer Baustein mit niedriger On-Spannung ist, steht der NPT-IGBT stellvertretend für Bausteine mit geringen Abschaltverlusten. Der Si MOS8 ist repräsentativ für einen kommerziell verfügbaren 1,2-kV-Silizium-MOSFET. Der 900-V-SJMOSFET hat zwar eine andere Nennspannung, doch wurden seine Daten zu Vergleichszwecken ebenfalls berücksichtigt. Mit Ausnahme des SJMOSFET, dessen Angaben aus dem Datenblatt bezogen wurden, basieren sämtliche Vergleiche auf real gemessenen Daten.

Zunächst sollen die Ausgangskennlinien eines typischen CMF20120D von Cree und des Si TFS-IGBT betrachtet werden (Bild 1). Wie man sieht, sind der ohmsche Triodenbereich und der Sättigungs- bzw. Konstantstrombereich im Falle des CMF20120D nicht so klar voneinander abgegrenzt wie beim Si TFS-IGBT. Die mäßige Transkonduktanz ist die Ursache dafür, dass sich der Übergang vom Trioden- in den Sättigungsbereich auf einen größeren Drainstrombereich verteilt. Die Folge dieser Eigenschaft ist, dass sich der CMF20120D eher wie ein spannungsgesteuerter Widerstand und weniger wie eine spannungsgesteuerte Stromquelle verhält.

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