Siliziumcarbid-MOSFET Warum Leistungselektronik und Stromversorgungen von Siliziumcarbid-Power-MOSFET profitieren können

Das Beispiel eines PV-Wechselrichters zeigt die Vorteile, die SiC-MOSFETs der Leistungselektronik bietet. Das beschriebene Testsystem aus der Entwicklung des Fraunhofer Instituts ist ein dreiphasiger, an das Netz angeschlossener Wechselrichter mit 7 kW Leistung und einer Schaltfrequenz von 16,6 kHz.

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Der Verbindungshalbleiter Siliziumcarbid (SiC) hat sich als ein Werkstoff erwiesen, der sich in vielerlei Hinsicht besser für die Herstellung von Leistungsschaltern eignet als Silizium (Si). Unter anderem zeichnet sich Siliziumcarbid durch eine etwa um den Faktor 10 höhere kritische Durchbruchfeldstärke aus als Silizium, sodass die gleiche Durchbruchspannung mit einer dünneren Bausteinstruktur hergestellt werden kann. Verglichen mit einem Silizium-Baustein führt dies wiederum zu einem um etwa zwei Größenordnungen geringeren On-Widerstand pro Flächeneinheit.

Die höhere Durchbruchfeldstärke macht außerdem die Entwicklung von SiC-MOSFETs mit Nennspannungen bis zu 10 kV möglich. Gegenüber Silizium ist ferner die Wärmeleitfähigkeit von SiC um den Faktor 2,8 höher, sodass bei gleicher Sperrschichttemperatur eine deutlich höhere Stromdichte möglich ist als bei einem Silizium-Baustein mit gleichen Eckdaten. Die verglichen mit Silizium etwa dreimal so breite Bandlücke verleiht SiC-Bausteinen beim Betrieb mit hohen Temperaturen überdies einen um mehr als zwei Größenordnungen niedrigeren Leckstrom.

Vergleicht man einen existierenden 1200-V-Si-Schaltbaustein mit einem SiC-MOSFET gleicher Nennspannung, werden die Vorteile des Siliziumcarbid-Materials deutlich. Anschaulich ist eine Gegenüberstellung der Leit-Eigenschaften von Si-MOSFETs, Trench Field Stop (TFS) IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und Non-Punch-Through (NPT) IGBTs mit SiC-MOSFETs bei Temperaturen von 25 und 150 °C (Bild 2).

Während der normalisierte On-Widerstand eines Silizium-MOSFET von 25 bis 150 °C um über 250% ansteigt, beträgt die Zunahme bei einem SiC-MOSFET bei gleicher Erwärmung nur 20% (Bild 3). Die Auswirkungen dieses Charakteristikums auf die thermische Auslegung eines Leistungselektroniksystems sind beträchtlich. Unter anderem kann die zur Wärmeableitung dienende Hardware (Lüfter und/oder Kühlkörper) um die Hälfte kleiner ausgeführt werden.

SiC-MOSFETs als Majoritätsträger-Schalter eliminieren den aus den Minoritätsträgern resultierenden Tail-Strom von Silizium-IGBTs praktisch vollständig, was die Schaltverluste entscheidend senkt und die Parallelschaltung mehrerer Bausteine wesentlich erleichtert. Vergleicht man die Eigenschaften beider Bauarten beim Schalten induktiver Lasten (Ein- und Ausschaltverluste) über den Betriebstemperaturbereich, werden die erheblich niedrigeren Schaltverluste des SiC-MOSFET deutlich (Bild 4).

Bei 1200 V Nennspannung können SiC-MOSFETs für praktisch jede Applikation spezifiziert werden, in denen zurzeit IGBTs für 1200 V verwendet werden. Ganz besonders gilt dies für Anwendungen, die nach höherer Schaltfrequenz und einer Anhebung des Wirkungsgrads verlangen. Zu den Anwendungsgebieten von SiC-MOSFETs wie von Silizium-IGBTs gehören Wechselrichter für Photovoltaik- und Windkraftanlagen, Induktionsheizsysteme und Hochspannungs-DC/DC-Wandler (Bild 5).

Besonderheiten beim Einsatz in der Leistungselektronik

Beim Einsatz von SiC-MOSFETs in der Leistungselektronik sind zwei Besonderheiten zu beachten: der Wegfall des Tail-Stroms beim Abschalten von Silizium-IGBTs sowie die geringe Transkonduktanz, die beim Design der Gate-Ansteuerschaltung berücksichtigt werden muss.

Die Eliminierung des Tail-Stroms stellt zwar einen signifikanten Vorteil des SiC-MOSFET gegenüber dem Silizium-IGBT dar, allerdings hat der Tail-Strom des IGBT den Vorteil, parasitäre Effekte beim Abschalten zu dämpfen. Fällt diese Eigenschaft wegen des direkten Austauschs des IGBT durch einen SiC-MOSFET weg, kann dies zu Überschwingen führen und die Schwingneigung der Schaltung verstärken. In einigen Fällen kann das erhöhte Spannungsüberschwingen ein so hohes Ausmaß erreichen, dass der Baustein beschädigt wird. Aus diesem Grund müssen geeignete Snubber-Schaltungen vorgesehen werden, die etwaige parasitäre Effekte aus der Beschaltung des Ausgangs abfangen und verhindern, dass die Oszillationen gefährliche Ausmaße erreichen.

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