Weitere Fortschritte bei Power-MOSFETs in Siliziumkarbid

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Kommerziell verfügbare SiC-MOSFETs

Durch nachfolgend beschrieben Maßnahmen und technologische Verbesserungen ist Microsemi in der Lage, erste kommerziell verfügbare SiC-MOSFETs mit wesentlich verbesserten Merkmalen anzubieten. Diese Maßnahmen führten zu höheren zulässigen Betriebstemperaturen, zu höheren Arbeitsfrequenzen, zu einem geringerem externen Gate-Widerstand, zu einer größeren SOA (Safe Operating Area, sicherer Arbeitsbereich) und zu einem besseren dV/dt-Verhalten (Spannungsanstiegsgeschwindigkeit).

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SiC-MOSFETs eignen sich generell für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Microsemi spezifiziert seine neuen SiC-MOSFETs bei Sperrschicht- und Betriebstemperaturen von 175 °C (T_j und T_oper). Bei diesen erhöhten Temperaturen sind folgende Parameter zu beachten: SiC-MOSFETs sind Normally-off bei diesen Temperaturen, d.h. V_th sollte einen positiven Wert haben, am besten mehr als 1 V. Die SiC-MOSFETs von Micrsemi weisen einen Wert von 3 V auf. Der Strom I_dss (Drain-Source-Leckstrom) muss bei maximaler Junction-Temperatur T_j gering sein. Die Spannung BV_dss zeigt einen Anstieg bei maximaler Temperatur T_j. Und der Durchlasswiderstand R_DS(on) darf einen vertretbaren (nicht zu starken) Anstieg mit zunehmender Temperatur zeigen.

SiC-MOSFETs zielen auf Applikationen mit hohen Schaltfrequenzen (100 kHz oder höher). Dabei bietet ein externer Gate-Widerstand von geringem oder hohem Wert Design-Freiheit für den Entwickler. Microsemis Wert für den Intrisic Rg ist nahe 1 Ω, im Gegensatz zu anderen Produkten auf dem Markt mit Intrinsic-Rg-Werten von 5 bis 6 Ω oder gar höher.

Der FOM-Wert (Figure of Merit) ist die maximale Betriebsfrequenz, definiert als F_max = (T_j-T_c)/R_th –R_on*I_c^2*D) / (Eon + Eoff). Durch den geringen R_DS(on), den geringen R_th und die hohe T_j haben die SiC-MOSFETs von Microsemi eine sehr hohe F_max.

Das verbesserte dV/dt-Verhalten der neuen MOSFETs wurde durch die Eliminierung des Gatepad-P-doped-Bereichs (p-dotierter Gate-Anschluss) erzielt. Das beseitigt den Löcherstrom, der in konventionellen Designs unter den Gatepads auftritt (bei einem parasitären NPN Design bedeutet weniger Löcherstrom ein notwendiges größeres dV/dt, um einen Strom zu generieren, der einen Latch-up auslöst).

Aufgrund der beschriebenen Maßnahmen kann Microsemi jetzt im Mai 2014, rechtzeitig zur Messe PCIM Europe die SiC-MOSFETs in TO-247- und SOT-227-Gehäusen mit den genannten Vorteilen präsentieren: es sind die Bauelemente-Typen für 1200 V (80 mΩ, 40 A, 175 °C) und 1200 V (50 mΩ, 50 A, 175 °C). Die Tabelle zeigt die wesentlichen Parameter und die Zeitpunkte der Markteinführung. Für den Sommer 2014 ist die Markteinführung eines weiteren Typs im SOT-227-Gehäuse für leistungsstärkere Applikationen mit Strömen von mindestens 60 A geplant; sein R_DS(on) beträgt 40 mΩ. Bild 3 zeigt die erhältlichen Gehäuseformen TO-247 und SOT-227.

Mit diesen angekündigten SiC-Leistungs-MOSFET stehen jetzt Wide-Bandgap-Halbleiter für erste Designs mit 1200 V bis 50 A zur Verfügung. Ihr Einsatz führt zu höherer Systemeffizienz und ermöglicht höhere Systemschaltfrequenzen. Auch werden die Anforderungen an das Wärmemanagement geringer, und die Sicherheit gegen Lawinendurchbruch ist wesentlich erhöht. Durch den geringen R_DS(on), die hohe zulässige Betriebsspannung und die hohe Stromtragfähigkeit (sowohl kontinuierlich als auch bei Spitzenstrom) ist der sichere Arbeitsbereich wesentlich erweitert.

Durch den Aufbau des Transistors mit einem stabilen und driftarmen Dual-Metal-Gateoxyd-Prozess wird verhindert, dass ein Normaly-on-Zustand erreicht wird. Damit sind Frühausfälle ausgeschlossen; und die Leistung und Effizienz beim Einsatz in Wechselrichtern bleibt über die Zeit konstant. Die vereinfachte Gate-Schaltung lässt Ansteuerspannungen von -20 bis +25 V zu, wobei bereits bei +15 V der spezifizierte R_DS(on) erreicht wird. Für diesen Ansteuerspannungsbereich werden am Markt geeignete Gate-Treiber angeboten.

* Wolfgang Knitterscheidt ist Geschäftsführer der Eurocomp GmbH in Bad Nauheim.

* Siegfried W. Best ist freier Redakteur in Regensburg.

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