Bild 1: Eine Basisanwendung für SiC-Bausteine ist der Einsatz als Komponente für die Korrektur des Leistungsfaktors.

Bild 1: Eine Basisanwendung für SiC-Bausteine ist der Einsatz als Komponente für die Korrektur des Leistungsfaktors. Cree

Durch die Einführung von kommerziellen SiC-Schottky-Dioden (Siliziumkarbid) vor über zehn Jahren konnten signifikante Verbesserungen bei Schaltungen für die Korrektur des Leistungsfaktors (Power Factor Correction, PFC) und bei Antrieben erreicht werden. Der Grund ist, dass SiC-Dioden im Vergleich zu traditionellen PiN-Versionen (Positive Intrinsic Negative) keine Umkehr-Erholungsladungen und niedrigere Schaltverluste aufweisen. Allerdings litt die Akzeptanz von SiC-Schottky-Dioden zunächst unter der mangelnden Zuverlässigkeit. Dafür waren unvorhersehbare dV/dt-Limitierungen verantwortlich. Speziell Komponenten mit niedrigen dV/dt-Werten sind anfällig für Fehler durch einen hohen Einschaltstrom.

Erste Analysen der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt von SiC-Schottky-Dioden mit 600 V ergaben einen oberen Grenzwert von 55 bis 60 V/ns. Dabei wurden Schaltzeiten von 5 ns zugrunde gelegt. Dagegen verkraften vergleichbare Schottky-Dioden von Cree (600 V, SiC) Werte von 75 V/ns beim Einschalten und 100 V/ns beim Ausschalten, und dies ohne Fehler bei mehr als 100.000 Schaltzyklen.

Eckdaten

Hochwertige Schottky-Dioden auf Basis von Siliziumkarbid legen eine extrem hohe dV/dt-Robustheit an den Tag. Belastungsmessungen mithilfe von leistungsstarken Impulsgebern, die Schaltgeschwindigkeiten von mehreren hundert Volt pro Nanosekunde erreichen zeigen, dass  SiC-Schottky-Dioden der Reihe C3D und C4D von Cree mit dV/dt-Werten von 295 V/ns und 490 V/ns etwa das Sechsfache dessen verkraften, was bei solchen Bauteilen üblich ist. Entwickler sind somit in jedem Fall auf der sicheren Seite, wenn sie solche Halbleiter einsetzen.

Die dV/dt-Kenndaten lassen sich daher von den Herstellern von Dioden als Maßstab für die Zuverlässigkeit von SiC-Schottky-Dioden heranziehen. Um Grenzwerte für Crees Komponenten zu ermitteln, waren jedoch schnellere Impulsgeber erforderlich. Sie setzen die Komponenten deutlich größeren Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten aus, als normalerweise bei Anwendungen im Bereich Leistungswandlung auftreten. Um Schaltzeiten von etwa 1 ns zu erreichen, sind Impulsgeber mit C2M-SiC-MOSFETs von Cree und herkömmliche Lawinentransistoren erforderlich.

Bild 2: Die VDS beim Einschalten und der Drain-Stromwert (ID) des MOSFET: Die beiden dV/dt-Werte sind negativ, weil die Spannung sinkt.

Bild 2: Die VDS beim Einschalten und der Drain-Stromwert (ID) des MOSFET: Die beiden dV/dt-Werte sind negativ, weil die Spannung sinkt. Cree

Einsatzfaktoren

Die dV/dt-Resistenz ist ein Faktor, der die Schaltgeschwindigkeiten begrenzt. Dies macht eine beliebte Anwendung von SiC-Bausteinen als Komponente für die Korrektur des Leistungsfaktors (PFC) deutlich. Der dV/dt-Wert der Boost-Diode D1 begrenzt in diesem Fall die maximale Schaltgeschwindigkeit des MOSFETs M1 (Bild 1). Die Ermittlung der Verlustleistung im Einschaltmoment erfolgt bei Verwendung zweier unterschiedlicher Dioden, eine mit der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von 50 V/ns, die andere mit 100 V/ns. Zudem werden die Dioden als ideal angenommen, sodass sie keine parasitären Effekte aufweisen und über ein perfektes, lineares Schaltverhalten verfügen. In der Ausgangssituation ist der MOSFET M1 gesperrt. Ein Strom von 20 A führt dazu, dass die Diode D1 leitet und der Strom zur Last fließt. Die Spannung an C2 steigt auf 800 V an. Wenn M1 schaltet, liegt an D1 eine Sperrvorspannung an und der dV/dt-Grenzwert von D1 (50 V/ns oder 100 V/ns) bestimmt die maximale Schaltgeschwindigkeit dV/dt der Drain-Source-Spannung VDS am MOSFET.

Bild 3: Die momentane Verlustleistung und die Verluste beim Einschalten für die Bereiche 50 V/ns und 100 V/ns.

Bild 3: Die momentane Verlustleistung und die Verluste beim Einschalten für die Bereiche 50 V/ns und 100 V/ns. Cree

Der zeitliche Verlauf von VDS und ID (Drain-Strom) ist sind in Bild 2 dargestellt. Die Drain-Source-Spannung verläuft mit negativer Steigung, weil die Drain-Source-Strecke nach dem Einschalten des MOSFETs niederohmig wird. In beiden Fällen wurde von einer konstanten Anstiegszeit des Stroms ausgegangen. Die Momentanleistung P = U· I und die Schaltenergie E = ∫P dt am MOSFET wurden auf Grundlage dieser Verläufe berechnet (Bild 3).

In der Anfangsphase des Schaltvorgangs (t = 5 ns bis 10 ns), in welcher der Drain-Strom linear ansteigt, sind Momentanleistung und Schaltenergie am MOSFET unabhängig von der verwendeten Diode in beiden Fällen gleich groß. Beginnt die Drain-Source-Spannung VDS am MOSFET zu sinken (ab t = 10 ns), zeigen sich hier große Unterschiede in der Schaltleistung und Schaltenergie abhängig vom dV/dt-Wert der eingesetzten Diode.  Bei 50 V/ns beträgt die Schaltenergie 168 mJ, bei 100 V/ns dagegen nur 104 mJ – ein Unterschied von 61,5 %.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Schaltverluste eines Systems dem Produkt aus Schaltfrequenz  und Schaltenergie entsprechen. Dieses Beispiel zeigt deutlich, wie signifikant sich Unterschiede in der Schaltgeschwindigkeit auf Verluste und Belastung von Leistungsbauteilen auswirken. Mit geeigneten dV/dt-Werten lassen sich Schaltverluste reduzieren und die Systemeffizienz bei gleichzeitig höheren Schaltfrequenzen verbessern, wobei ein beliebig schnelles Schalten wiederum eine schlechtere EMV bewirken kann.

Bild 4: Der Impulsgenerator erzeugt an einem Lastwiderstand mit 200 Ohm einen negativen dV/dt-Impuls mit etwa -400 V.

Bild 4: Der Impulsgenerator erzeugt an einem Lastwiderstand mit 200 Ohm einen negativen dV/dt-Impuls mit etwa -400 V. Cree

Generator mit Bipolar-Junction-Transistoren

Um zu prüfen, für welche Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten dV/dt SiC-MOSFETs ausgelegt sind, ist ein sehr hoher Stromimpuls erforderlich. Impulsgeneratoren die dabei zum Einsatz kommen, enthalten Quecksilberschalter oder Lawinen-Transistoren. Generatoren mit Quecksilber-Relais wurden vorzugsweise dafür verwendet, um extrem kurze Impulse zu erzeugen. Allerdings wäre im vorliegenden Fall ein spezifisches Design erforderlich, das hohe Spannungen verkraftet.

Ein zweiter, weit verbreiteter Ansatz basiert auf Bipolar-Junction-Transistoren (BJT), die im Bereich des Lawinendurchbruchs arbeiten. Dieser Schaltzustand tritt auf, wenn die zulässige Sperrspannung VCEO auf der Kollektor-Emitter-Strecke überschritten wird und es beim Transistor nach Eintritt des Zener-Effektes zu einem zweiten Durchbruch, dem sogenannten Avalanche-Effekt kommt. Aufgrund der begrenzten Schaltgeschwindigkeit eines BJT im Moment des Lawinendurchbruchs, lässt sich dieser Baustein als schneller Schalter für hohe Spannungen und mit niedrigen Jitter-Werten verwenden. Dieses Verfahrens lässt sich zwar für dV/dt-Tests von SiC-Leistungshalbleitern nutzen, Leistungsdaten und Zuverlässigkeit eines Standard-BJT in diesem Schaltzustand sind jedoch nicht garantiert.

Bild 5: Impulsgenerator mit Avalanche-Transistoren für die Untersuchung der dV/dt-Widerstandsfähigkeit von SiC-Schottky-Dioden.

Bild 5: Impulsgenerator mit Avalanche-Transistoren für die Untersuchung der dV/dt-Widerstandsfähigkeit von SiC-Schottky-Dioden. Cree

Impulsgenerator mit Lawinen-Transistoren

Als Alternative kommen spezielle Lawinen-Transistoren in Betracht, die für den Betrieb oberhalb der Lawinen-Durchbruchsspannung konzipiert sind. Impulsgeneratoren mit solchen Transistoren kommen häufig in Lasern, Pockels-Zellen und Streak-Kameras (Schmierbildkameras) zum Einsatz. Sie eignen sich auch für dV/dt-Tests von Siliziumkarbid-MOSFETs. Ein solcher Impulsgenerator mit in Reihe geschalteten Lawinen-Transistoren wurde daher auf seine Eignung für diesen Verwendungszweck hin untersucht. An einer ohmschen Last RLOAD = 200 Ω (anstelle des DUT in Bild 5) wurde das Schaltverhalten mithilfe eines Digitaloszilloskops (350 MHz, 1 ns Anstiegszeit) und einem 100:1-Hochspannungstastkopf (400 MHz, 900 ps Anstiegszeit) ermittelt. Der Frequenzgang von Oszilloskop und Tastkopf begrenzt hierbei die Systemanstiegszeit auf 1,35 ns.

Der Impulsgenerator besteht aus drei in Reihe geschalteten Transistoren mit einem maximalen VCEO-Wert von je 40 V. Im stationären Zustand verteilt sich die Eingangsspannung von 400 VDC gleichmäßig auf alle Transistoren, sodass an jedem Transistor eine Kollektor-Emitter-Spannung (VCE) von 133 V anliegt, die sich nahe der Lawinen-Durchbruchsspannung bewegt.

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: Ein Impuls am Eingang löst zunächst beim Transistor Q3 einen Lawinen-Effekt aus, dann bei den beiden anderen Transistoren. Dadurch entlädt sich der Kondensator C1 in 2 ns gegen Masse. Sein Endladestrom erzeugt am Lastwiderstand RLOAD einen hohen negativen dV/dt-Impuls. Bild 4 zeigt den Spannungsverlauf des Impulses und lässt eine maximale Systemanstiegszeit erkennen.

Bild 6: Der Diodentyp C3D03060A erreicht einen dV/dt-Wert von 295 V/ns und damit ein Mehrfaches dessen, was Standard-SiC-Schottky-Dioden aufweisen.

Bild 6: Der Diodentyp C3D03060A erreicht einen dV/dt-Wert von 295 V/ns und damit ein Mehrfaches dessen, was Standard-SiC-Schottky-Dioden aufweisen.

dV/dt-Tests an SiC-Schottky-Dioden

Mit einem Hochgeschwindigkeits-Impulsgenerator lässt sich die dV/dt-Festigkeit von Hochleistungs-SiC-Schottky-Dioden überprüfen. Beispielsweise wurden am Diodentyp C3D03060A-600V-3A von Cree die dV/dt-Grenzwerte ermittelt. Der Impulsgeber basierte dabei auf in Reihe geschalteten Silizium-Bipolar-Transistoren vom Typ 2N5551 mit einer höheren Durchgangsspannung. Die maximale VCEO betrug 160 V. Anstelle von RLOAD wurde als DUT (Device Under Test) eine SiC-Schottky-Diode mit einem Testimpuls von 800 V beaufschlagt (Bild 5).

Der ermittelte negative dV/dt-Wert im Abschaltmoment betrug 295 V/ns (Bild 6). Das liegt fast um den Faktor sechs über der dV/dt-Festigkeit einer 600-V-Diode mit typischerweise 50 V/ns und um das Dreifache über den Ergebnissen vorheriger Messungen durch Cree. Im Rückschluss ist davon auszugehen, dass die dV/dt-Werte von Schottky-Dioden der Reihe C3D von Cree die Marke von 300 V/ns übertreffen.

Bild 7: Die dV/dt-Testwerte für C4D10120A-Dioden lagen bei 490 V/ns. Herkömmliche SiC-JBS-Dioden (1,2 kV) weisen in der Regel Werte von etwa 80 V/ns auf.

Bild 7: Die dV/dt-Testwerte für C4D10120A-Dioden lagen bei 490 V/ns. Herkömmliche SiC-JBS-Dioden (1,2 kV) weisen in der Regel Werte von etwa 80 V/ns auf. Cree

Vergleichbare Resultate bei C4D-Dioden

Vergleichbare Untersuchungen erfolgten an C4D-Dioden mit 1200 V. Das Testobjekt war in diesem Fall eine SiC-Schottky-Diode vom Typ C4D10120A-1200V-10A. Um die angelegte Testspannung von 1000 V zu schalten, musste der Impulsgenerator modifiziert werden. Dabei wurden zwei der 2N5551-Silizium-Transistoren durch einen einzelnen SiC-MOSFET der Reihe C2M0080120D ersetzt. Zur Verringerung des Ringing-Effekts bei der Erfassung des negativen 1000-V-Spannungsimpulses an der Diode wurde über einen Spannungsteiler mit niedriger Impedanz gemessen.

Diese Tests ergaben einen negativen dV/dt-Wert vom 490 V/ns (Bild 7). Zum Vergleich: Bei SiC-JBS-Dioden mit 1,2 kV liegt dieser Wert typischerweise bei 80 V/ns. Zudem kam es im Lauf der Tests zu keinem Ausfall der Komponenten. Diese Ergebnisse belegen nachhaltig die dV/dt-Widerstandsfähigkeit der C4D10120A-JBS-Diode und der gesamten C4D-Produktlinie.

Auf der sicheren Seite

Hochwertige Schottky-Dioden auf Basis von Siliziumkarbid legen eine extrem hohe dV/dt-Robustheit an den Tag. So weisen SiC-Schottky-Dioden der Reihe C3D und C4D von Cree dV/dt-Werte von 295 V/ns und 490 V/ns auf. Das entspricht dem Sechsfachen dessen, was bei Schottky-Dioden üblich ist. Entwickler sind somit in jedem Fall auf der sicheren Seite, wenn sie solche Bausteine einsetzten.