In welchen Bereichen SiC-MOSFETs Vorteile bieten

Bei Leistungshalbleitern haben Entwickler mittlerweile die Qual der Wahl. Sie können auf MOSFETs beziehungsweise IGBTs auf Basis von Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrit (GaN) zurückgreifen. Im Vergleich zu klassischen Silizium-Versionen weisen SiC-MOSFETs eine Reihe von Vorzügen auf. Dazu zählen der höhere Wirkungsgrad und eine geringere Verlustleistung. Hinzu kommen bis zu zehnfach höhere Schaltgeschwindigkeiten als bei Silizium. Das wiederum ermöglicht den Einsatz kleinerer Induktivitäten und Kondensatoren.

SiC-Leistungshalbleiter weisen eine niedrigere Verlustleistung auf als Bausteine auf Silizium-Basis.Cree

Der Vorteil liegt auf der Hand: Entwickler haben dadurch die Möglichkeit, leichtere und kostengünstigere Systeme zu realisieren. Bei Stromversorgungen lassen sich das Volumen und das Gewicht mithilfe von SiC-Komponenten um 30 bis 60 % reduzieren. Das ist in vielen Anwendungsbereichen ein wichtiger Faktor, etwa bei Stromversorgungen für medizinische Systeme, in der Antriebstechnik und bei Komponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge.

Ein weiterer Vorteil von Siliziumkarbid ist der größere Bandabstand (Bandgap). Dadurch ist SiC in der Lage, etwa bis zu zehn Mal stärkere elektrische Felder zu unterstützen als Komponenten aus Silizium. Hinzu kommt die bessere thermische Leitfähigkeit, die sich in einer etwa um den Faktor drei höheren Energiedichte niederschlägt.

Bei Einsatz von SiC-MOFETs statt Silizium-IGBTs lassen sich um den Faktor 10 höhere Schaltfrequenzen erzielen.Cree

Grundlage: DMOS-Technologie

Die Grundlage von SiC-MOSFETs ist eine planare DMOS-Topologie (Double-Diffused MOS). SiC-MOSFETs sind selbstsperrend. Das heißt, die Kanalzone ermöglicht das Fließen eines Stroms von den Source-Anschlüssen durch den Kanal unterhalb des Gates sowie durch den JFET-Bereich und schließlich durch die Driftregion, sobald eine Gate-Spannung anliegt. Der Gesamtwiderstand R_DS(on) entspricht der Summe aus dem Kanal-, JFET- und Drift-Widerstand. Die Driftregion wird durch den Durchmesser der Epitaxial-Schicht definiert, welche die Sperrspannung des Bausteins im abgeschalteten Zustand bestimmt.

Ein MOSFET auf SiC-Basis.Cree

Außerdem benötigen SiC-MOSFETs nur etwa 10 % der Drift-Dicke von Silizium-MOSFETs, um eine bestimmte Sperrspannung zu erreichen. Deshalb dominiert bei Silizium-MOSFETs der Driftwiderstand den R_DS(on)-Wert, sobald die Sperrspannung mehrere 100 V übersteigt. Daher ist wegen des höheren Widerstands eine größere Die-Fläche erforderlich; nur dann lässt sich ein akzeptabler R_DS(on)-Wert erreichen. Das Ergebnis: Si-MOSFETs sind größer und damit teurer. Zudem taugen sie wegen der hohen kapazitiven Verluste nur für bestimmte Schaltfrequenzen. Auch bei Systemdesigns, bei denen es auf eine besonders kompakte Bauform ankommt, etwa bei Stromversorgungen für medizintechnische Geräte oder Elektrofahrzeuge, sind SiC-Komponenten dadurch im Vorteil.

Vergleich der SiC-Generationen 2 und 3 von Cree: Die MOSFETs der dritten Generation weisen dieselbe DMOS-Struktur wie die Bausteine der zweiten Generation auf, haben jedoch eine deutlich kleinere Die-Fläche.Cree

IGBTs bei Spannungen über 600 V

Bei Spannungen von bis zu etwa 600 V lassen sich mithilfe der Super-Junction-Technik (SJ) bei Silizium-MOSFETs annehmbare Leitungsverluste erzielen – und dies bei akzeptablen Designkosten. Silizium-IGBTs kommen meist bei mehr als 600 V zum Zuge. Sie kombinieren eine hochohmige Gate-Struktur zum Schalten des Bausteins mit einer bipolaren Leitungsregion. Das Ergebnis ist ein Baustein, der sich einfach ansteuern lässt, akzeptable Sperreigenschaften aufweist und geringe Leitungsverluste verursacht.

Ein Schwachpunkt von Silizium-IGBTs sind jedoch die hohen Schaltverluste. Weil die Hauptleistung über eine bipolare Sperrschicht fließt, muss die in der Sperrschicht gespeicherte Ladung bei jedem Einschalten des Bausteins abgeleitet werden. Das verursacht Deaktivierungsströme und damit hohe Energieverluste im Schaltbetrieb. Bei SiC-MOSFETS sind dank einer unipolaren MOSFET-Struktur Anwendungen mit hohen Sperrspannungen möglich – und zwar bei vergleichbaren Leitungsverlusten wie bei IGBTs sowie auf einem deutlich kompakteren Die. Im Vergleich zu Si-MOSFETs und -IGBTs sind die Leitungs- und Schaltverluste von SiC-MOSFETs bei 1200 V daher nur 20 bis 50 Prozent so hoch.

In Bezug auf den EOSS-Wert weisen SiC-MOSFETs eine deutlich bessere Performance als SI-SJ-Bausteine auf, die für dieselbe Nennspannung (900 V) ausgelegt sind.Cree

SiC-MOSFET im Vergleich zum Si-Super-Junction-Baustein

Einen guten Einblick in die Praxisrelevanz liefert ein Vergleich zwischen einem SiC-MOSFET für den 900-V-Bereich von Cree und einem Super-Junction-Silizium-Baustein, der für 650 V und 900 V verfügbar ist. Die Energie am Ausgang (EOSS) bei 150 °C ist bei dem SiC-Produkt etwa drei Mal niedriger als beim SJ-MOSFET. De facto entspricht der EOSS-Wert des 900-V-SiC-MOSFETs in etwa dem eines Silizium-SJ-Bausteins mit 650 V. Allerdings weist der SiC-Leistungshalbleiter eine um 50 Prozent höhere Durchschlagspannung auf und verfügt somit über eine höhere Sicherheitsreserve. Zudem nutzt der SiC-Baustein die interne Body-Diode.

Einsatzfelder von SiC-MOSFETs: Mit Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern lässt sich ein Großteil der Einsatzfelder abdecken, auch im mittleren und teilweise unteren Anwendungsbereich.Cree

Auch die deutlich niedrigeren Leitungsverluste lassen sich am Beispiel des 900-V-SiC-MOSFETs belegen. In diesem Punkt hat Siliziumkarbid nicht nur gegenüber einem Si-SJ-MOSFET Vorteile, sondern auch im Vergleich zu GaN-Transistoren, in diesem Fall einer 600-V-Version. Bei einer Temperatur von 150 °C tritt bei GaN-Transistoren eine fast doppelt so große Erhöhung des Einschaltwiderstands R_DS(on) auf (Faktor 1,85) wie beim SiC-MOSFET. Beim 600-V-Si-SJ-Transistor beträgt der Faktor 2,5.

SiC-MOSFET und Silizium-IGBT

Ähnliche Resultate zeigen sich beim Vergleich von SiC-MOSFETs und IGBTs auf Silizium-Basis. Als Beispiel dienen ein SiC-MOSFET von Cree (900 V, 65 mΩ) und ein Si-IGBT (600 V, 30 A). Bei einem Test beider Bausteine bei 400 V, 150 °C und 10 A ergeben sich folgende Werte: Die Schaltenergie vom SiC-MOSFET beträgt 60 µJ. Beim 600-V-Si-IGBT erreicht sie dagegen 260 µJ. Das heißt, die Schaltenergie beim Siliziumkarbid-Baustein beträgt weniger als ein Viertel derjenigen des Leistungshalbleiters auf Silizium-Basis.

Der Anstieg des Einschaltwiderstands RDS(on) fällt bei SiC-MOSFETs erheblich niedriger aus als bei GaN- und Si-Leistungsbausteinen.Cree

Auch in diesem Fall kommen weitere Vorteile des SiC-Bausteins hinzu, etwa die um 50 % höhere Sperrspannung, der Einsatz einer internen Body-Diode sowie eine bidirektionalen Leitung ohne Kniespannung (Schwellenspannung).

Anwendungen: Fahrzeuge mit Elektromotor

Ein zukunftsträchtiges Einsatzgebiet von Leistungshalbleitern auf Basis von Siliziumkarbid sind Fahrzeuge mit Elektromotor. Toyota setzt beispielweise in einem seriennahen Test-Pkw der Reihe Camry Leistungsregler (Power Control Units, PCU) auf Basis von SiC ein. Das Fahrzeug ist mit einem Hybridmotor ausgestattet und fährt seit Anfang 2015 im Rahmen von Praxistests. Für SiC sprechen aus Sicht der Hersteller von Fahrzeugen mit Hybrid- und Elektromotoren vor allem die niedrigeren Leistungsverluste.

Einsatzgebiete von SiC-Leistungshalbleitern im Vergleich zu Versionen auf Grundlage von Silizium.Cree

Nach Erfahrungswerten von Cree lässt sich durch den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern in Traktionswechselrichtern in Elektro- und Elektrohybrid-Fahrzeugen eine Leistungsdichte von bis zu 20 kW/l erzielen. Hinzu kommt der hohe Wirkungsgrad von 99 %. Speziell im Bereich Fahrzeugtechnik kommt ein weiterer Faktor hinzu, nämlich die größere Robustheit von Leistungsbausteinen auf Basis von SiC. Sie ist etwa um den Faktor 10 höher als bei vergleichbaren Silizium-MOSFETs und entsprechenden IGBTs.

Dritte Generation von SiC-MOSFETs

Derzeit sind MOSFETs auf Basis von Siliziumkarbid in Arbeit, die sich bei Spannungswerten von bis zu 15 kV betreiben lassen. Die dritte Produktgeneration von Cree ist beispielsweise für 900 V, 1200 V, 1700 V, 3,3 und 6,5 kV sowie 10 und 15 kV ausgelegt. Auch die dritte Generation von SiC-MOSFETs basiert auf einer DMOS-Struktur. Im Unterschied zu den Vertretern der zweiten Generation fallen diese Leistungshalbleiter jedoch wegen der kleineren Die-Fläche deutlich kompakter aus.

Technologien im Vergleich.Cree

Die Versionen mit den Eckdaten 900 V, 35 A und 80 mΩ weisen zudem einen weiteren Vorteil auf: einen On-Widerstand, der auch bei hohen Temperaturen nur eine geringe Zunahme verzeichnet. So beträgt der RDS(on) bei 25 °C ungefähr 78 mΩ, bei 150 °C erreicht er 100 mΩ. Bei 175 °C ist nur noch eine unerhebliche Steigerung auf 108 mΩ zu verzeichnen. Im Vergleich dazu steigen die Werte von SJ-MOSFETs zwischen 25 und 150 °C etwa um den Faktor 3 an.

Nach Einschätzung von Cree lässt sich bei SiC-MOSFETs im Bereich 900 V und 3,3 kV die Die-Größe erheblich verringern. So ist die Die-Fläche der 15-kV-SiC-DMOSFETs der dritten Generation mit 10 A, die derzeit in Entwicklung sind, genauso groß wie die Die-Fläche der 10-kV-Versionen der zweiten Generation. Im Vergleich zu einem Silizium-IGBT mit 6,5 kV sind die Schaltverluste bei den neuen SiC-MOSFETs um den Faktor 25 niedriger.

Bei höheren Spannungswerten von mehr als 20 kV und Schaltfrequenzen unter 10 kHz sind nach Erfahrungen von Cree bipolare SiC-Bausteine die bessere Wahl. Entsprechende Versionen für 27,5 kV und 22,1 kV befinden sich bereits in der Entwicklung.

(av)