Auf einen Blick

Siliziumkarbid-MOSFETs bieten im Vergleich zu Komponenten aus Silizium Vorteile, die sich vor allem beim Design von Stromversorgungen für medizintechnische Geräte auszahlen. Mit SiC-Komponenten lassen sich Systeme entwickeln, die eine höhere Leistung pro Flächeneinheit aufweisen und dadurch kompakter, robuster und preisgünstiger sind. Für Fachleute, die Leistungselektronik-Komponenten für Medizintechnik-Systeme auf Basis von SiC entwickeln möchten, stellt Cree eine breite Palette von Design-Tools zur Verfügung. Mehrere dieser Werkzeuge sind für Entwickler konzipiert, die zum ersten Mal mit Siliziumkarbid arbeiten. Ergänzend dazu sind Referenzdesign-Boards erhältlich. Zudem stehen für alle SiC-MOSFETs der Reihe C2M, inklusive der neuen Modellreihe C2M0025120D, präzise PSpice-Modelle zur Verfügung.

In vielen medizinischen Geräten sind ICs für wichtige Energiemanagement-Funktionen zuständig. Die Palette reicht von portablen Diagnosegeräten über Implantate bis hin zu Hochleistungs-Bildbearbeitungssystemen. Bei solchen Anwendungen spielt eine möglichst hohe Leistungsdichte eine zentrale Rolle, beziehungsweise die Leistung, die pro Flächeneinheit bereitgestellt wird.

Die Stromversorgungen in Röntgenapparaten und Computertomographen stellen teilweise mehr als 100 kW bereit. Werden in ihnen SiC-MOSFETs eingesetzt, können Entwickler kompaktere und leistungsstärkere Versionen designen.

Die Stromversorgungen in Röntgenapparaten und Computertomographen stellen teilweise mehr als 100 kW bereit. Werden in ihnen SiC-MOSFETs eingesetzt, können Entwickler kompaktere und leistungsstärkere Versionen designen.Cree

Stromversorgungen von Röntgensystemen stellen 2 bis etwa 5 kW zur Verfügung. Bei Hochleistungs-CT-Scannern können die Werte 100 kW überschreiten. Die Schächte, in denen die Stromversorgungen untergebracht sind, haben bei vielen Systemen eine feste Größe. Entwickler sind somit bestrebt, auf diesem vorgegebenen Raum möglichst leistungsfähige Stromversorgungssysteme unterzubringen. Diese Vorgabe lässt sich mithilfe von MOSFETs auf Basis von Siliziumkarbid umsetzen.

Eine Option ist, die Silizium-IGBTs oder konventionelle MOSFETs in einem Systemdesign durch SiC-MOSFETs zu ersetzten. Alternativ dazu haben Entwickler die Möglichkeit, neue System-Topologien zu entwerfen, die sie mit Si-MOSFETs oder IGBTs nicht realisieren könnten. Ein Beispiel: Statt einer komplexen Multi-Level-Topologie, die gegenwärtig häufig verwendet wird, kann ein einfacheres Design auf Grundlage von Halbbrücken-Modulen verwendet werden.

Vorteile von Siliziumkarbid-MOSFETs

Der C2M0025120D zählt zur neuen Generation von Siliziumkarbid-MOSFETs. Der 1200-V-Baustein weist nur einen ON-Widerstand RDS(on) von 25 mΩ auf.

Der C2M0025120D zählt zur neuen Generation von Siliziumkarbid-MOSFETs. Der 1200-V-Baustein weist nur einen ON-Widerstand RDS(on) von 25 mΩ auf.Cree

Im Vergleich zu Leistungshalbleitern auf Silizium-Basis weisen Siliziumkarbid-MOSFETs mehrere Vorteile auf. Dazu zählen deutlich niedrigere Schaltverluste bei hohen Sperrspannungen. Diese liegen beispielsweise bei einem SiC-MOSFET der Reihe Cree C2M0025120D für 1200 V etwa um den Faktor fünf unter denen der derzeit besten 1200-V-IGBTs. Ein weiterer Pluspunkt sind die besseren thermischen Charakteristiken. Dank ihnen ist es möglich, SiC-Komponenten in vorhandenen Stromversorgungen zu verwenden, die mit Silizium-ICs bestückt sind. Dabei können Entwickler dieselben Kühlkörper und Lüfter verwenden. Abhängig vom Systemdesign können sogar Lüfter entfallen. Das reduziert Größe, Gewicht und die Kosten eines Systems. Zudem verringert sich dadurch das Arbeitsgeräusch eines medizinischen Geräts.

Neben dem Material, also Siliziumkarbid, machen weitere Faktoren SiC-MOSFETs für Entwickler zu einer interessanten Option: das IC-Design und hochwertige Fertigungstechniken. So ist es bei SiC möglich, bereits mit einer dünnen Materialschicht eine hohe Sperrspannung zu erreichen. Diese dünne Schicht ermöglicht zudem einen niedrigeren ON-Widerstand.

SiC-MOSFETS wie der C2M0025120D weisen über einen hohen Temperaturbereich hinweg niedrige ON-Widerstandswerte auf. Damit verbunden sind eine niedrige Verlustleistung und niedrigere Temperaturen.

SiC-MOSFETS wie der C2M0025120D weisen über einen hohen Temperaturbereich hinweg niedrige ON-Widerstandswerte auf. Damit verbunden sind eine niedrige Verlustleistung und niedrigere Temperaturen.Cree

Im Vergleich dazu erreichen Standard-Silizium-Technologien höhere Sperrspannungen, indem sie bis zu zehn Mal mehr Silizium-Material für die Sperrschicht verwenden. Das hat jedoch den Nachteil, dass die Schaltverluste und Widerstandswerte höher ausfallen. Je höher die Schaltverluste, desto größer fällt auch der Widerstand aus. Letztlich verhält sich ein System mit hohen Schaltverlusten wie eine ineffiziente Glühbirne: Sie wandelt einen großen Teil der Energie in Wärme statt in Licht um.

SiC-MOSFETs als Alternative

Statt traditioneller IGBTs können SiC-MOSFETs der Reihe C2M0025120D verwendet werden, die Cree im Mai 2014 vorstellte. Bei diesem Baustein handelt es sich um den ersten kommerziell verfügbaren 1200-V-SiC-MOSFET in einem Standard-TO-247-3-Gehäuse, mit einem RDS(on)-Wert von 25 mΩ. Damit weist der C2M0025210D einen deutlich niedrigeren ON-Widerstand auf als herkömmliche MOSFETS. Dies ist auf die inhärenten Materialeigenschaften von Siliziumkarbid zurückzuführen.

Die mechanischen und thermischen Komponenten können dabei unverändert bleiben. Das spart Zeit und Geld. Dank der C2M-SiC-MOSFET-Technologie von Cree erreicht eine Komponente eine Impulsstromrate (Pulsed Current Rating, IDS Pulse) von 250 A und einen positiven Temperatur-Koeffizient. Damit haben Entwickler deutlich mehr Optionen, um neue Designkonzepte zu erproben. Dank der hohen IDS-Impulsrate ist die Stromversorgung auch für hohe Stromspitzen ausgelegt, die häufig bei medizinischen Bildverarbeitungssystemen auftreten. Der positive Temperatur-Koeffizient wiederum erlaubt es, mehrere Komponenten parallel zu schalten, um eine höhere Leistung zu erzielen.

Kompaktere und zuverlässigere Systeme

Bei der Entwicklung von medizinischen Systemen spielen nicht nur Leistungsparameter eine wichtige Rolle, sondern auch der Schutz der Patienten und die Zuverlässigkeit eines Systems. In der Regel verfügen medizintechnische Apparaturen daher über eine verstärkte galvanische Trennung zwischen Eingangsstromquelle und Ausgangsstrom. Dies wird häufig durch den Einsatz von großen Transformatoren erreicht, die viel Platz benötigen. Die C2M-Technologie erlaubt höhere Schaltfrequenzen bei einer niedrigeren Verlustleistung. Aus diesem Grund reichen kleinere Transformatoren aus. Dadurch lassen sich kompaktere Stromversorgungen designen und somit die Systemkosten reduzieren.

Die Schaltverluste von SiC-MOSFETs sind deutlich niedriger als die von vergleichbaren Silizium-IGBTs.

Die Schaltverluste von SiC-MOSFETs sind deutlich niedriger als die von vergleichbaren Silizium-IGBTs.Cree

Ein weiterer Vorteil von SiC-MOSFETs ist, dass sie die Ausfallrate von medizinischen Systemen senken und deren Zuverlässigkeit erhöhen. Ein wichtiger Faktor in diesem Zusammenhang ist die Temperatur. Der im Vergleich zu IGBTs und konventionellen MOSFETs niedrigere ON-Widerstand von SiC-Komponenten hat eine geringere Verlustleistung zur Folge, und damit geringere Betriebstemperaturen. Wie bereits angesprochen können Entwickler mit SiC-MOSFETs zudem eine auf Resonanz beruhende Schaltungstopologie wählen. Im Vergleich zu Multi-Level-Topologien sind bei ihr weniger Komponenten erforderlich. Auch das kommt der Systemstabilität zugute.

Schutz vor Überspannungen

Die C2M-MOSFETs sind für den Betrieb mit Bemessungsspannung ausgelegt. Die Durchbruchsspannung ist in der Realität jedoch deutlich höher als die Bemessungsspannung. Dadurch stehen Entwicklern höhere Systemreserven zur Verfügung, auch am unteren Ende des Temperaturbereichs. Viele Komponenten auf Grundlage von Silizium erfordern dagegen ein Derating der Durchbruchspannung, vor allem dann, wenn sie in niedrigeren Temperaturbereichen arbeiten.

Hinzu kommt, dass alle SiC-MOSFETS von Cree den Avalanche-Durchbruchsmodus unterstützen. Dies bietet einen zusätzlichen Schutz vor plötzlich auftretenden transienten Überspannungen. So weist der 1200-V-MOSFET mit einem ON-Widerstand von 25 mΩ ein Avalanche-Rating (EAS) von etwa 2 J auf.