Bild 1: Unipolarer RDS∙A versus Durchbruchspannung nach Halbleitertechnologie (Raumtemperatur).

Bild 1: Unipolarer RDS∙A versus Durchbruchspannung nach Halbleitertechnologie (Raumtemperatur). (Bild: Qorvo)

Für Anwendungen, die minimale Leitungsverluste erfordern, wie z. B. Halbleiterrelais (SSR; Solid-State Relay), Halbleiterleistungsschalter (SSCB; Solid-State Circuit Breaker) und Hochleistungsmotorantriebe sind die Siliziumkarbid-/SiC-JFETs wohl die besten Schalter. Ihr niedriger Durchlasswiderstand pro Flächeneinheit (RDS∙A) und ihr schnelles Schalten können gut mit mechanischen Relais und IGBTs mithalten. SiC-JFETs sind zudem sehr robust, halten wiederholten Lawinen- und Kurzschlussereignissen Stand und weisen keine Parameterdrift auf.

Alle Bauelement-Typen profitieren durch Halbleiter mit breiter Bandlücke (WBG; Wide-Bandgap). Dazu zählen Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC). Der SiC-JFET hat jedoch aufgrund der hohen Durchbruchspannung (BV; Breakdown Voltage) von SiC in Kombination mit dem Wegfall des MOS-Kanals einen weitaus besseren RDS∙A. Damit ergibt sich ein Bauelement, das der theoretischen unipolaren RDS∙A-BV-Grenze des Materials viel näher kommt (Bild 1).

Die RDS∙A-BV-Kurve der Gen4-SiC-JFET-Technologie liegt am nächsten an der theoretischen Materialgrenze, unmittelbar gefolgt von der Gen4-SiC-JFET-Kaskode, auf die später eingegangen wird. Weiter folgen der SiC-MOSFET, der GaN-FET und schließlich der siliziumbasierte Super-Junction-/SJ-MOSFET. Es ist dieser RDS∙A-BV-Vorteil, der die kostengünstige Herstellung von JFETs mit einer Nennspannung von 1200 V und einem RDS(on) deutlich unter 10 mΩ bei Raumtemperatur ermöglicht, ohne dass der sichere Betriebsbereich in Sperrrichtung (RBSOA; Reverse-Bias Safe Operating Area) oder andere wichtige Parameter beeinträchtigt werden. Ein derart niedriger Durchlasswiderstand in Verbindung mit einer schnellen Schaltgeschwindigkeit und einem sehr breiten RBSOA machen den SiC-JFET zu einem überzeugenden Ersatz für mechanische Relais und Leistungsschalter.

Die Direktansteuerung eines SiC-JFETs bietet zahlreiche Vorteile. Erstens lässt sich der Durchlasswiderstand durch Vorspannen (Biasing) des Gates in Durchlassrichtung weiter verringern, wie in der Ausgangskennlinie eines Gen3-JFET mit 1200 V und 7,6 mΩ zu sehen ist (Bild 2a).

Bild 2: a) Durch die Direktansteuerung eines SiC-JFETs lässt sich der Durchlasswiderstand durch Vorspannen (Biasing) des Gates in Durchlassrichtung weiter verringern. Ausgangskennlinie des UJ3N120008 bei 175 °C; b) Gate-Strom versus Gate-Source-Spannung bei verschiedenen Temperaturen eines kleineren Gen3-JFETs mit 1200 V und 35 mΩ (UJ3N12035K3S). Der Gate-Strom sollte über dem Grundrauschen liegen. Hier liegt er bei etwa 2 mA.
Bild 2: a) Durch die Direktansteuerung eines SiC-JFETs lässt sich der Durchlasswiderstand durch Vorspannen (Biasing) des Gates in Durchlassrichtung weiter verringern. Ausgangskennlinie des UJ3N120008 bei 175 °C; b) Gate-Strom versus Gate-Source-Spannung bei verschiedenen Temperaturen eines kleineren Gen3-JFETs mit 1200 V und 35 mΩ (UJ3N12035K3S). Der Gate-Strom sollte über dem Grundrauschen liegen. Hier liegt er bei etwa 2 mA. (Bild: Qorvo)

Wird das SiC-JFET-Gate mit +2 V angesteuert, verringert sich der Durchlasswiderstand um 16 Prozent bei 175 °C – und sogar noch weiter bei niedrigeren Temperaturen. Der Grund dafür ist eine weitere Vergrößerung des JFET-Kanals. Die Injektion von Minoritätsträgern in den Gate-Source-p/n-Übergang ist sehr gering und hat vernachlässigbare Auswirkungen auf den Leitungsverlust oder das Schalten.

Die Kennlinien in Bild 2b zeigen den Gate-Strom gegenüber der Gate-Source-Spannung bei verschiedenen Temperaturen eines kleineren Gen3-JFETs mit 1200 V und 35 mΩ. Der Gate-Source-p/n-Übergang weist eine sehr lineare Durchlassspannung über der Temperatur bei einem bestimmten Gate-Strom auf, die bei Gen3-SiC-JFETs im Bereich -3,22 mV/°C liegt. Der Gate-Strom sollte hoch genug sein, um über dem Grundrauschen zu liegen, das in Bild 2b etwa 2 mA beträgt. Empfohlen wird ein Gate-Strom im Bereich von 5 bis 20 mA. Ein SiC-JFET-Gate kann einen Durchlass-Bias-Strom im Ampere-Bereich ohne Schaden verkraften, sodass ein Strom im mA-Bereich sehr sicher ist.

Zuverlässigkeit und Langlebigkeit eines SiC-JFETs

Der Wegfall eines MOS-Kanals beseitigt die Parameterdrift im SiC-JFET, selbst nach kurzzeitigen Hochtemperaturereignissen wie Lawinen-, Kurzschlusseffekten und Stoßströmen jeder Polarität. Entscheidend für Relais- und Leistungsschalteranwendungen ist der Spitzenstrom, der sicher und wiederholt abgeschaltet werden kann. Bild 3 demonstriert dies.

Bild 3: Der Spitzenstrom kann sicher und wiederholt abgeschaltet werden: Abschalten des UF3SC120009K4S bei 376 A, 680 V.
Bild 3: Der Spitzenstrom kann sicher und wiederholt abgeschaltet werden: Abschalten des UF3SC120009K4S bei 376 A, 680 V. (Bild: Qorvo)

Vorteile von Siliziumkarbid-/SiC-JFETs

Siliziumkarbid-/SiC-JFETs sind wohl die besten Schalter für Anwendungen, die minimale Leitungsverluste erfordern, Dieser Beitrag hebt zwei zusätzliche Merkmale hervor: eine Möglichkeit, die Leitungsverluste um mehr als 15 Prozent zu reduzieren, und eine Möglichkeit zur On-Chip-Temperaturmessung in Echtzeit. Der selbstleitende (Normally-On) SiC-JFET wird mit einem Freigabe-/Enable-MOSFET plus ein paar Zenerdioden selbstsperrend (Normally-Off). Auf einen kurzen Überblick über die Eigenschaften von SiC-JFETs folgt ein Schaltungsbeispiel, das zeigt, wie sich die Fähigkeiten des SiC-JFETs umfassend nutzen lassen.

 

Nach einem etwas langsamen Anstieg schaltet eine SiC-JFET-Kaskode eine induktive Last von 376 A mit einem 680-V-DC-Link schnell ab. Diese 8,6-mΩ-Kaskode kann bis zu 550 A bei unveränderten Parametern sicher und wiederholt abschalten, sofern eine Überhitzung vermieden wird. Der Strom kann beide Polaritäten haben bzw. in Durchlass- und Sperrrichtung fließen. Der geringe Leitungsverlust wird für den Normalbetrieb benötigt, während der hohe Abschaltstrom für Notabschaltungen zwingend erforderlich ist. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber mechanischen Schaltern ist die Verschleißfreiheit, sodass die Zahl der Schaltvorgänge im Bereich von Millionen liegt – im Gegensatz zu Hunderten bis Tausenden wie bei mechanischen Schaltern.

Schaltgeschwindigkeit des SiC-JFETs

Wie bei jedem Bauteiltyp hängt die Schaltgeschwindigkeit eines JFETs stark von der Schaltung ab. Aufgrund seiner selbstleitenden Charakteristik wird der SiC-JFET häufig zusammen mit einem Low-Voltage-Silizium-MOSFET in der selbstsperrenden Kaskodenkonfiguration eingesetzt (Bild 4a).

Bild 4: a) SiC-JFET in Reihe mit einem Low-Voltage-Si-MOSFET als selbstsperrende Kaskode; b) Kaskode schaltet eine induktive Last mit RC-Snubber ab; c) JFET schaltet eine induktive Last ab.
Bild 4: a) SiC-JFET in Reihe mit einem Low-Voltage-Si-MOSFET als selbstsperrende Kaskode; b) Kaskode schaltet eine induktive Last mit RC-Snubber ab; c) JFET schaltet eine induktive Last ab. (Bild: Qorvo)

Der SiC-JFET hat praktisch keine Drain-Source-Kapazität (kein p/n-Übergang im Strompfad). In der Kaskodenkonfiguration mit dem geshunteten JFET-Gate hat die Kaskode damit keine Drain-Gate-Kapazität. In Bild 4b wird während des Abschaltens der Kaskode die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung hauptsächlich durch den Laststrom und die Drain-Source-Kapazität bestimmt. Der Strom durch die JFET-Gate-Drain-Kapazität fließt durch den internen JFET-Gate-Widerstand statt durch den externen MOSFET-Gate-Widerstand. Dieser JFET-Gate-Widerstand ist fest, sodass zur Steuerung der Schaltgeschwindigkeit externe Dämpfer erforderlich sind. Ein Großteil des Aufwands, der mit einer Kaskode verbunden ist, konzentriert sich darauf, die Schaltgeschwindigkeit zu verlangsamen, anstatt sie zu beschleunigen.

Der SiC-JFET selbst hat eine beträchtliche Gate-Drain-Kapazität sowie eine Gate-Source-Kapazität. Da keine Drain-Source-Kapazität vorliegt, wird die Drain-Gate-Kapazität über die Gate-Impedanz geladen/entladen (Bild 4c). Die Einschalt- und Ausschalt-Anstiegsgeschwindigkeiten lassen sich damit über die Gate-Impedanz steuern, ohne auf Snubber angewiesen zu sein. Dies ist ein weiterer Grund für die Direktansteuerung des SiC-JFET. Die Gate-Ladung ist zwar höher, aber ein guter Kompromiss, insbesondere bei SSR und SSCB, wenn man die für mechanische Relais erforderliche Leistung zur Ansteuerung berücksichtigt.

Sowohl die Kaskode als auch der JFET mit Direktansteuerung können eine induktive Last in 10 ns schalten – selbst bei sehr hohen Stromstärken. Mechanische Relais hingegen schalten typischerweise im ms-Bereich, also um Größenordnungen langsamer. Lichtbögen sind so mit dem Halbleiterschalter ausgeschlossen, was enorme Auswirkungen auf die Systemsicherheit hat.

Beispiel für die Direktansteuerung eines SiC-JFETs

Diese Beispielschaltung ist der High-Side-Teil einer Halbbrücke, die serienmäßige Gate-Treiber und Bauelemente verwendet, um eine positive Spannungsübersteuerung und DESAT-Erkennung umzusetzen. Zwei Gate-Treiber treiben den SiC-JFET und den 1mΩ/30V-Silizium-MOSFET separat an (Bild 5). Der MOSFET wird als Freigabe (Enable) verwendet, d. h. er bleibt beim Hochfahren des Systems eingeschaltet. Diese Kombination aus SiC-JFET und MOSFET hat bei Raumtemperatur einen typischen RDS(on) von 8,8 mΩ (SiC-JFET und MOSFET). Der JFET-Gate-Treiber U1 (1ED3461MU12MXUMA1 von Infineon) steuert den JFET und verfügt über DESAT- und externe Miller-Clamping-Funktionen. Der MOSFET-Treiber U2 (Infineon 1ED3123MC12H) ist einfacher, verfügt aber wie der JFET-Treiber über eine integrierte galvanische Trennung und kann mit einer ±15-V-Versorgung arbeiten.

Erste Voraussetzung zum Ansteuern des JFETs ist das Einschalten mit etwa +2 V und das Ausschalten mit etwa -15 V. Bestehende Gate-Treiber haben eine Unterspannungssperre (UVLO), die für verschiedene Spannungsbereiche wie +15/-5 V eingestellt ist. Damit der Gate-Treiber funktioniert, wird ein Puffer-MOSFET zum Absenken des Spannungspegels verwendet. Dies ist der obere n-Kanal-MOSFET von Q1 in Bild 5.

Ein Spannungsregler (nicht abgebildet) liefert die 2 V an den Drain des n-Kanal-Puffer-MOSFETs, während das Gate dieses MOSFETs auf ±15 V angesteuert wird. Dieser n-Kanal-MOSFET steuert seinerseits das JFET-Gate auf +2 V wenn er eingeschaltet ist. Der JFET wird über einen p-Kanal-Puffer-MOSFET im Q1-Gehäuse auf -15 V gesteuert. Dieser untere Puffer ist optional, da der Gate-Treiber U1 getrennte Ausgänge für das Aus- und Einschalten hat und das JFET-Gate direkt auf -15 V ansteuern könnte.

Die 18-V-Zener-Diode D2 in Bild 5 lässt den SiC-JFET und MOSFET als Kaskode fungieren, wenn die Gate-Treiberspannung ausgeschaltet ist. Damit sind beide zusammen selbstsperrend – selbst wenn der DC-Link eingeschaltet ist. Die Zenerdiode verhindert daher ein Shoot-Through, wenn die Steuerspannung unerwartet ausfällt. D3 ermöglicht das Biasing das JFET-Gate in Durchlassrichtung.

Die Schaltgeschwindigkeit des JFETs wird durch Einstellen der Einschalt- und Ausschalt-Gate-Widerstände R1 und R2 eingestellt. R41 ist ein 0Ω-Jumper-Testpunkt. DESAT funktioniert wie bei einem IGBT oder SiC-MOSFET. Die Miller-Klemme wird mit einem externen MOSFET (Q5) implementiert, aber auch ein Gate-Treiber mit einer internen Klemme würde gut funktionieren. Die Klemme hilft, den JFET bei hohen dV/dt-Transienten auszuschalten, wie dies bei IGBTs oder SiC-MOSFETs der Fall ist.

Bild 5: High-Side-Direktansteuerung mit SiC JFET und MOSFET in einem Baustein.
Bild 5: High-Side-Direktansteuerung mit SiC JFET und MOSFET in einem Baustein. (Bild: Qorvo)

Die Temperatur des JFETs lässt sich messen, wenn seine Source außerhalb des Gehäuses verfügbar ist. Dies kann durch Messen der Spannung über R1 und über den Gate-zu-Source-Pfad des JFET erfolgen. Damit ergibt sich der Gate-Strom, der zusammen mit der Gate-Source-Spannung die Temperatur des JFET-ICs herleitet. Dies ist eine On-Chip-Temperaturmessung in Echtzeit mit geringer Verzögerung, die vielseitig einsetzbar ist.

Eine weitere Möglichkeit, die Temperatur zu messen, erfolgt über den Leckstrom der in das MOSFET-Gate integrierten Schutzdioden, die gegen elektrostatische Entladung (ESD) wirken sollen. Da es sich um Dioden handelt, haben sie eine lineare VF-Temperatur-Charakteristik, sodass sich die Temperatur eines MOSFET-ICs sehr einfach messen lässt, indem man einfach dessen Vorspannung kennt. Da der MOSFET während des Betriebs eingeschaltet bleibt, ist er frei von Schaltvorgängen, die durch eine Diode gesperrt und bis zum Einschwingen des Signals ausgeblendet werden müssen. Der MOSFET-Gate-Leckstrom ist konstant, da die MOSFET-Gate-Source-Spannung konstant ist. Ist der MOSFET-Chip an der Oberseite des JFET-Chips angebracht, ist seine Temperatur außerdem etwas höher als die des JFET-Chips, da der MOSFET keine Schaltverluste aufweist und sein Durchlasswiderstand ein Bruchteil des Durchlasswiderstands des JFETs ist.

Mit minimalen Mehrkosten und handelsüblichen Bauelementen reduziert die Direktansteuerung also den Einschaltwiderstand des SiC-JFETs um mehr als 16 Prozent. Der Freigabe-/Enable-MOSFET trägt einen Teil, aber nicht alles dazu bei, und die Schaltgeschwindigkeit des SiC-JFETs wird direkt gesteuert. Und schließlich verbessern die DESAT- und Miller-Clamp-Funktionen die Zuverlässigkeit der Schaltung. (neu)

Autor

Jonathan Dodge ist Senior Application Engineer bei Qorvo.

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