Überlegungen und Vergleiche zur Anwendung von SiC-Power-MOSFET

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Vorausgehende Betrachtungen zum Vergleich

Beim Einsatz des CMF20120D ist es wichtig, die mäßige Transkonduktanz und Kurzkanal-Effekte zu berücksichtigen, denn der Baustein muss mit einer größeren Gatespannungs-Auslenkung angesteuert werden als man es von SJMOSFETs oder IGBTs gewohnt ist. Zurzeit wird für den CMF20120D eine Gate-Ansteuerung bis +20 V sowie –2 V bis –5 V in negativer Richtung empfohlen. Die Anstiegsrate der Gatespannung wirkt sich wegen der geringeren Transkonduktanz stärker auf die Anstiegsrate des Drainstroms aus. Die Gate-Ansteuerung muss daher mit sehr steil ansteigenden und abfallenden Impulsen erfolgen, um die Schaltgeschwindigkeit zu maximieren. Die Schwellenspannung des CMF20120D ähnelt der des Si-basierten SJMOSFET (Nennwert: 2 V). Ebenso wie beim Si-SJMOSFET muss die geringere Schwellenspannung auch im Falle des CMF20120D beachtet werden – speziell bei hohen Temperaturen.

Der recht große Triodenbereich kann Auswirkungen auf bestimmte Arten von Fehlererkennungsverfahren haben (insbesondere auf aktive Entsättigungsschaltungen). Die Funktionsweise einiger dieser Designs beruht darauf, dass der Schaltbaustein beim Auftreten überhöhter Stromstärken in einen hochohmigen Konstantstrom- und/oder Transkonduktanz-Sättigungsbereich eintritt. Im Fall des CMF20120D ist die Ausgangsimpedanz jedoch geringer, und außerdem geht der Baustein bei Überstrom-Ereignissen dieser Art nicht in einen klaren Konstantstrombereich über (besonders wenn der Überstrom nicht sonderlich ausgeprägt ist. Die Drain-Source-Spannung steigt hierdurch weniger stark an. Diese Eigenschaften des SiC-MOSFET müssen in Fehlerschutz-Lösungen berücksichtigt werden.

Die Durchlasseigenschaften des CMF20120D sowie die des Si SJMOSFET und der TFS- und NPT-IGBTs sind in Bild 2 dargestellt. Der relativ hohe positive Temperaturkoeffizient des RDS(on) des Si-SJMOSFET hat beträchtliche Auswirkungen auf die Durchlassverluste des Bausteins. Bei 25 °C schnitten der Si-SJMOSFET und der CMF20120D ungefähr gleich ab. Bei 150 °C ist der RDS(on) des CMF20120D nur etwa 20% größer als bei 25 °C, während die Zunahme beim Si-SJMOSFET und dem Si-MOS8-Baustein 250% beträgt. Die Auswirkungen dieser Eigenschaft auf die thermische Auslegung eines Systems sind beträchtlich. Der klare Vorteil dieser Charakteristik ist, dass bei höheren Temperaturen ein kleinerer Baustein verwendet werden kann.

Hohe Temperaturfestigkeit durch eine große Bandlücke

Zu den entscheidenden Vorzügen von SiC gehört die höhere Temperaturfestigkeit, die sich aus der großen Bandlücke ergibt. Gut zum Ausdruck kommt dies in einem Vergleich der Leckströme bei hohen Temperaturen (Bild 3). Der Leckstrom bei 150 °C ist im Falle des CMF20120D ungefähr um den Faktor 20 kleiner. Bei 200 °C nehmen die Leckströme der Si-Bauelemente dramatisch zu, bis die Bausteine schließlich aufgrund zu hoher Verlustleistung ausfallen. Der Leckstrom des CMF20120D ist dagegen auch bei dieser hohen Temperatur immer noch akzeptabel und um den Faktor 100 kleiner als bei Si-Bausteinen.

Wie bereits erwähnt, erstreckt sich der empfohlene Gatespannungsbereich des CMF20120D von +20 bis –2 V bis –5 V in negativer Richtung. Dabei ist allerdings anzumerken, dass die zum Schalten des Bausteins erforderliche Gateladung gering ist. Welche Konsequenzen die mäßig höhere Gatespannung und die niedrigere Gateladung haben, lässt sich zusammenfassend beurteilen, wenn man das Produkt aus Gateladung und Gatespannung als Maß für die Gateenergie nimmt. Bild 4 vergleicht Gateladung und Gateenergie.

Auch wenn die Einsatzbedingungen hier nicht exakt aufeinander abgestimmt sind, zeigt dieser Vergleich doch, dass die Gateenergie des CMF20120D auf dem gleichen Niveau liegt oder sogar geringer ist als bei den anderen Bausteinen. Der erforderliche größere Spannungshub hat somit keine negativen Auswirkungen auf die Leistung, die für die Gateansteuerung benötigt wird. Der Verlauf von VGS über die Gateladung weicht im Falle des CMF20120D etwas von der Charakteristik ab, die man bei anderen gategesteuerten Siliziumbausteinen vorfindet. So ist das Millerplateu nicht so flach wie bei typischen Silizium-MOSFETs und IGBTs. Auch dies lässt sich auf die moderate Transkonduktanz zurückführen.

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