Überlegungen und Vergleiche zur Anwendung von SiC-Power-MOSFET

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Figure of Merit und andere Werte im Vergleich

Eine häufig verwendete Kennzahl (Figure of Merit) beim Vergleich verschiedener MOSFETs ist das Produkt aus RDS(on) und Gesamt-Gateladung. Je kleiner dieser Wert ist, umso besser ist das betreffende Bauelement.

Einen Vergleich dieses Werts zwischen dem CMF20120D und den anderen Si-MOSFETs zeigt Bild 5. Die Figure of Merit des Si-SJMOSFET beträgt 32,4 Ωx*nC, die des CMF20120D dagegen 7,12 Ω*nC. Überdies ist der CMF20120D für 1,2 kV ausgelegt, der Si-SJMOSFET dagegen nur für 900 V.

In Bild 6 sind die induktiven Abschaltverluste des CMF20120D und des TFS- und NPT-IGBT gegenübergestellt. Als Freilaufdiode kam bei allen Bausteinen eine für 1,2 kV und 10 A ausgelegte SiC-Schottkydiode (C2D10120A) zum Einsatz. Die Abschaltverluste der IGBTs sind deutlich größer als die des CMF20120D und nehmen außerdem mit steigender Temperatur steil zu. Ursache hierfür sind die für IGBTs typischen Tailstrom-Verluste. Der NPT-IGBT schneidet hier deutlich besser ab als der TFS-IGBT, doch sind die Durchlassverluste des NPT-IGBT wesentlich größer als die des CMF20120D. Mit seinen Durchlassverlusten unterbietet der TFS-IGBT wiederum den NPT-IGBT, doch sind seine Schaltverluste die höchsten aller drei Bauelemente.

Im Interesse kurzer Schaltzeiten sollten die Zuleitungen für die Gate-Ansteuerung minimale parasitäre Effekte (speziell Induktivitäten) aufweisen. Dies setzt voraus, dass der Gatetreiber möglichst nah am CMF20120D platziert wird. Sorgfältig sollte außerdem darauf geachtet werden, ein Schwingen der Gatetreiberschaltung zu minimieren oder ganz zu unterbinden. Erreichen lässt sich dies durch die Wahl eines passenden externen Gatewiderstands. Der Tailstrom des Silizium-IGBT wirkt in gewissem Ausmaß dämpfend auf den Abschaltvorgang und reduziert das Spannungs-Überschwingen und etwaige Oszillationen. Wie bei Majoritätsträger-Bausteinen üblich, tritt beim CMF20120D kein Tailstrom auf, sodass seine Neigung zu Spannungs-Überschwingern und parasitär bedingten Oszillationen spürbar größer ist. Gerade letzteres gibt Anlass zu Bedenken, da die geringere Transkonduktanz und die niedrigere Schwellenspannung des CMF20120D die Rauschimmunität am Gate des Bausteins beeinträchtigen.

Die große Steilheit des Drainstroms kann über jede Gate/Source-Induktivität an die Gateschaltung zurückkoppeln. Für die Gate-Ansteuerung ist eine Kelvin-Verbindung zu empfehlen, speziell wenn es nicht möglich ist, den Gatetreiber nah am CMF20120D anzuordnen. Ferritperlen (empfohlen wird Nickel-Zink-Material) als Ergänzung bzw. Ersatz für einen externen Gatewiderstand helfen, die Schwingneigung zu minimieren und gleichzeitig für kurze Schaltzeiten zu sorgen. Anzuraten ist auch die Platzierung eines großen Widerstands (10 kΩ) zwischen Gate und Source, um einem übermäßigen Floaten des Gate während der Einschaltphase des Systems entgegenzuwirken.

Zusammenfassung der Ergebnisse des Vergleichs

Ebenso wie bei jedem anderen Leistungs-MOSFET gibt es auch im CMF20120D eine Body-Diode. Es handelt sich dabei um eine SiC-PN-Diode mit einer charakteristischen Spannung von 2,5 bis 2,7 V, die jedoch eine erheblich geringere Sperrverzögerungsladung aufweist als die Body-Diode eines Si-SJMOSFET. Eine Verwendung dieser Diode wird wegen ihrer hohen Vorwärtsspannung nicht empfohlen. Besser eignet sich eine externe SiC-Schottkydiode. Empfehlenswert ist die Cree C2D10120A, solange es noch keine Kombi-Bausteine im TO-247-Gehäuse gibt.

Das Ergebnis des Vergleichs: Auf der System-Ebene bietet der CMF20120D klare Vorzüge gegenüber konkurrierenden Schaltbausteinen auf Siliziumbasis. Damit diese Vorteile jedoch ausgeschöpft werden können, müssen die Besonderheiten des Bausteins beachtet werden. Der Gatetreiber muss +20 V bzw. –2 bis –5 V negativen Bias liefern können, kombiniert mit einer minimalen Ausgangsimpedanz und hoher Stromfestigkeit. Die parasitären Effekte der Verbindung zwischen Gatetreiber und CMF20120D sind (z.B. durch geringen Abstand, separate Source-Rückleitung usw.) zu minimieren, um sicherzustellen, dass die Gate-Impulse kurze Anstiegs- und Abfallzeiten aufweisen und die Impulsform erhalten bleibt. Zu beachten ist, dass die hohe Schaltgeschwindigkeit des CMF20120D die Schwingneigung verstärken und Spannungs-Überschwinger hervorrufen kann. Sorgfältig berücksichtigt werden müssen ferner die Auswirkungen parasitärer Effekte von Leitungen mit hohen Stromstärken.

* * Bob Callanan ... ist Applications Engineer SiC Power Products bei Cree Inc

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