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Rohm Semiconductor

Die Eigenschaften der SiC-MOSFETs geben Designern die Möglichkeit, auf die als Freilaufdioden dienenden SiC-Schottky-Dioden zu verzichten und an ihrer Stelle SiC-MOSFET-Chips einzusetzen. Möglich ist dies, weil SiC-MOSFETs im eingeschalteten Zustand Ströme in beiden Richtungen mit dem gleichen Ron passieren lassen. Außerdem sind durch die sehr schnelle Body-Diode höchst zuverlässige Leit-Eigenschaften in Vorwärtsrichtung gewährleistet. SiC-MOSFETs können wegen des höheren Gate-Widerstands und des positiven Temperaturkoeffizienten des On-Widerstands überdies problemlos parallelgeschaltet werden, denn Gate- und Drain-Ströme lassen sich einfacher ausgleichen als bei Si-IGBTs. Insgesamt ermöglichen diese Eigenschaften die Realisierung verlustarmer Power-Module für hohe Stromstärken.

Auf einen Blick

Rohm Semiconductor hat Methoden zur Realisierung eines SiC-Power-Moduls mit höherer Stromtragfähigkeit unter Verwendung existierender SiC-Bauelemente untersucht. Auf dieser Basis wurde ein neues, ausschließlich aus SiC-MOSFETs aufgebautes Halbbrücken-Power-Modul entwickelt. Bei einer Nennspannung von 1200 V wurde der Nennstrom von 120 A auf 180 A angehoben (verbunden mit einer Reduzierung des Ron-Werts um 40 Prozent). Da die Schottky-Dioden durch MOSFETs ersetzt wurden, blieben die Abmessungen unverändert.

Full-SiC-Power-Modul

Bild 1: Stromfluss in Gegenrichtung.

Bild 1: Stromfluss in Gegenrichtung.Rohm Semiconductor

In letzter Zeit haben mehrere Unternehmen mit der kommerziellen Produktion von SiC-Schaltbausteinen wie zum Beispiel MOSFETs und JFETs begonnen. Industrielle Anwendungen verlangen tendenziell nach höheren Strömen von 100 A oder mehr. Diesem Bedarf entsprechend hat Rohm im März 2012 die kommerzielle Fertigung von komplett SiC-basierten Modulen gestartet. Die Anwendungsmöglichkeiten sind wegen des unzureichenden Nennstroms jedoch begrenzt. Ein Vergrößern des Chips ist grundsätzlich eine einfache Möglichkeit, die Stromfestigkeit zu erhöhen. In diesem Fall empfiehlt sich dieses Verfahren jedoch nicht unbedingt, da Kristalldefekte die Produktionsausbeute beeinträchtigen und zu höheren Kosten führen.

Bild 2: Kennlinie der Body-Diode und Rückwärts-Leiteigenschaften eines SiC-MOSFET.

Bild 2: Kennlinie der Body-Diode und Rückwärts-Leiteigenschaften eines SiC-MOSFET.Rohm Semiconductor

Durch umfassende Nutzung der von SiC-MOSFETs gebotenen Eigenschaften ist Rohm jedoch die Entwicklung eines Power-Moduls für hohe Stromstärken gelungen. Dabei wurden zwei wichtige Techniken genutzt. Erstens entfallen die antiparallel geschalteten Schottky-Dioden und es werden für den umgekehrten Stromfluss stattdessen die MOSFETs eingeschaltet. Zweitens werden mehrere MOSFET-Chips parallel geschaltet, die den Strom eigenständig untereinander aufteilen.

SiC-MOSFETs für Ströme in Gegenrichtung

 	Bild 3: Sperrverzögerungs-Eigenschaften der Body-Diode eines SiC-MOSFET bei 25 °C Sperrschichttemperatur.

Bild 3: Sperrverzögerungs-Eigenschaften der Body-Diode eines SiC-MOSFET bei 25 °C Sperrschichttemperatur.Rohm Semiconductor

Der Spannungsabfall an SiC-PN-Dioden ist relativ hoch, weil SiC ein Material mit breiter Bandlücke ist, was in den Dioden während der Kommutierung zu hohen Leitungsverlusten führt. In vielen Fällen wird in Wechselrichtern und Wandlern das Einschaltsignal nach Verstreichen der Totzeit an die FETs gelegt, wenn es unmöglich ist, IGBTs im dritten Quadranten zu betreiben. Dieses Einschaltsignal für den IGBT bleibt deshalb in der Leistungselektronik auf IGBT-Basis ohne Wirkung. Bei MOSFETs liegen die Dinge dagegen völlig anders. Die relativ hohe Flussspannung der Body-Diode lässt sich verringern, indem man – wie in den Bildern 1 und 2 gezeigt – für die Rückwärtsströme die SiC-MOSFETs einschaltet.

Bild 4: Sperrverzögerungs-Eigenschaften der Body-Diode eines SiC-MOSFET bei 125 °C Sperrschichttemperatur.

Bild 4: Sperrverzögerungs-Eigenschaften der Body-Diode eines SiC-MOSFET bei 125 °C Sperrschichttemperatur.Rohm Semiconductor

Trotz der sehr kurzen Zeitspanne zur Unterbindung von Querströmen ist das als Bipolar Degradation bekannte Phänomen nach wie vor ein ernstes Problem. Bei SiC-PN-Dioden kommt es nach einem Stromfluss in Durchlassrichtung zu einer Defektausbreitung, als deren Folge der On-Widerstand und der Leckstrom zunehmen. Rohm ist es jedoch gelungen, die Defektausbreitung zu unterdrücken. Das Unternehmen konnte außerdem die Zuverlässigkeit der Body-Diode über eine Dauer von 1000 Stunden ohne Veränderung der Eigenschaften belegen.

Bild 5: Sperrverzögerungs-Energie der Body-Diode.

Bild 5: Sperrverzögerungs-Energie der Body-Diode.Rohm Semiconductor

Die Body-Dioden von SiC-MOSFETs weisen die gleichen kurzen Sperrverzögerungszeiten auf wie Schottky-Dioden (Bilder 3 und 4). Dies verringert die elektromagnetischen Interferenzen und senkt die Verluste auf ein Niveau, das mit Si-MOSFETs nicht erzielbar ist.

Bei hohen Temperaturen ist ein Sperrverzögerungsstrom zu beobachten, der jedoch verglichen mit Fast-Recovery-Dioden auf Siliziumbasis nur gering ist (Bild 5).

Bild 6: On-Widerstand als Funktion von Sperrschichttemperatur Tj.

Bild 6: On-Widerstand als Funktion von Sperrschichttemperatur Tj.Rohm Semiconductor

Alle diese Fakten waren mit dafür ausschlaggebend, ein SiC-Power-Modul ohne Freilaufdioden zu realisieren.

Parallelschaltung von SiC-MOSFETs

Bei der Parallelschaltung von Bausteinen, deren On-Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten hat (Bild 6), kann es im schlimmsten Fall passieren, dass sich der gesamte Stromfluss auf den Chip mit dem niedrigsten Ron-Wert konzentriert, woraufhin dieser thermisch instabil wird. Dieses Risiko ist bei SiC-MOSFETs wesentlich geringer, da der On-Widerstand hier einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, wenn die empfohlene Gate-Source-Spannung für den Ein-Zustand verwendet wird (zum Beispiel Ugs = 18 V). Das Parallelschalten dieser Bauelemente ist aufgrund dieser Eigenschaft wesentlich einfacher.

Bild 7: Temperaturänderung durch Stromfluss in dem speziell präparierten Modul, in dem drei MOSFET-Chips mit höherem Ron und ein MOSFET-Chip mit geringerem Ron parallelgeschaltet waren.

Bild 7: Temperaturänderung durch Stromfluss in dem speziell präparierten Modul, in dem drei MOSFET-Chips mit höherem Ron und ein MOSFET-Chip mit geringerem Ron parallelgeschaltet waren. Rohm Semiconductor

Bild 7 zeigt die mit einem Pyrometer gemessene Temperatur an der Chipoberfläche als Funktion der Zeit. Der gemessene Zweig des Moduls besteht aus drei MOSFET-Chips mit einem höheren Ron-Wert und einem MOSFET-Chip mit einem niedrigen Ron-Wert. Die Chips wurden eigens dafür ausgelegt, den Current-Crowding-Effekt infolge unterschiedlicher Ron-Werte zu analysieren. Allerdings sind die Ron-Unterschiede der für das Experiment verwendeten Chips mehr als doppelt so groß wie bei Chips aus der Massenproduktion. Bild 7 zeigt, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Chips ganz am Anfang groß ist. Sie wird jedoch mit der Zeit geringer, weil sich die Ströme infolge des positiven Temperaturkoeffizienten von Ron selbsttätig ausgleichen (12 °C Unterschied nach 1 s).

Ein weiteres Problem bei der Parallelschaltung ist das Ungleichgewicht der Gate-Ströme während des Einschaltens. Ebenso wie bei parallelgeschalteten Si-IGBTs werden die einzelnen Gate-Ströme wegen des geringen internen Gate-Widerstands leicht durch unterschiedliche Streuinduktivitäten beeinflusst. Die Bauelemente können deshalb durch kurze Stromspitzen und die von ihnen ausgelösten Oszillationen zerstört werden.

Bild 8: Vergleich der Schaltverluste zwischen Si-IGBT und SiC-DMOS.

Bild 8: Vergleich der Schaltverluste zwischen Si-IGBT und SiC-DMOS.Rohm Semiconductor

Anders als bei Si-IGBTs sorgt der mit einigen Ohm relativ große interne Gate-Widerstand der SiC-MOSFETs dafür, dass sich die Gate-Ströme gleichmäßiger auf die parallelgeschalteten Chips verteilen, ohne dass die Gate-Widerstände künstlich erhöht werden müssen.

Aufgrund dieser Eigenschaft ist das Parallelschalten mehrerer SiC-MOSFET-Chips deutlich einfacher, ohne dass es zu Ungleichgewichten zwischen den Drain- und Gate-Strömen kommt. Thermische Instabilität und resonante Schwingungen lassen sich deshalb leichter vermeiden.

Bild 9: Gesamt-Schaltverluste des SiC-DMOS.

Bild 9: Gesamt-Schaltverluste des SiC-DMOS.Rohm Semiconductor

Es wurde ein ausschließlich aus SiC-DMOS-Elementen bestehendes Power-Modul entwickelt, dessen Schaltverluste wesentlich geringer ausfielen als bei Si-IGBT-Modulen (Bilder 8 und 9).