Teaserbild ROHM

(Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Wichtige Vorteile von ROHMs SiC MOSFETs der vierten Generation

Ein Schlüsselparameter bei der Entwicklung der vierten Generation an SiC MOSFETs bestand aus der Reduktion des flächenspezifischen Widerstands der eingeschalteten Bauteile.  Abbildung 1 zeigt  die flächenspezifischen Durchlasswiderstände der drei Generationen kommerzieller ROHM SiC MOSFETs:

Verbesserung des RDS(on)∙A für die verschiedenen Generationen von ROHM SiC MOSFETs
Abbildung 1: Verbesserung des RDS(on)∙A für die verschiedenen Generationen von ROHM SiC MOSFETs (Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Zudem weist die vierte Generation SiC MOSFETs einen viel flacheren Verlauf des RDS(ON) gegenüber der Gate-Spannung VGS im Bereich zwischen +15V und +18V auf. So kann das Bauteil sowohl mit +15V als auch mit +18V eingeschaltet werden.

Zusätzlich zu den Verbesserungen im RDS(ON) and der daraus resultierenden Reduktion der Durchlassverluste für Bauteile gleicher Chipfläche bietet die vierte Generation auch ein verbessertes Schaltverhalten. Abbildung 2 verdeutlicht die Schaltverluste für zwei 1200V SiC MOSFETs mit vergleichbarem RDS(ON) bei 25°C im TO-247-4L Gehäuse. Mit den gewählten Konfigurationen der Gate-Ansteuerung ergeben sich sowohl beim Aus- als auch beim Einschalten vergleichbare Werte für die Stromänderungsgeschwindigkeiten (di/dt). Die Ergebnisse zeigen, dass für die vierte Generation eine Reduktion der Schaltverluste von bis zu 45% erreicht wird.  

Schaltverlustvergleich für 1200V SiC MOSFETs in TO-247-4L (3. vs 4. Generation)
Abbildung 2: Schaltverlustvergleich für 1200V SiC MOSFETs in TO-247-4L (3. vs 4. Generation) (Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Die Kapazitätsverhältnisse der SiC MOSFETs aus der vierten Generation sind optimiert worden, um unerwünschte Effekte zu minimieren. Besonders hervorzuheben ist das Verhältnis der Gate-Source Kapazität CGS zur Gate-Drain Kapazität CGD, das nun viel größer ist. Folglich haben auch sehr schnelle Spannungstransienten (dVDS/dt), die durch Schaltvorgänge eines Kommutierungspartners in einer Halbbrücke auf den SiC MOSFET wirken, reduzierten Einfluss auf die Gate-Spannung VGS. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit eines unabsichtlichen parasitären Einschaltens des SiC MOSFET durch positive VGS Spitzen und minimiert auch das Auftreten nachteiliger negativer Spannungsspitzen am Gate.

ROHMs künftige vierte Generation an SiC MOSFETs bieten Anwendern also sowohl eine bessere Performance als auch eine vereinfachte Nutzung. Die Bauteile werden sowohl als Chips zum Einsatz in Leistungshalbleitermodulen als auch in Gehäusen wie TO-247, TO-247-4L und TO-263-7L verfügbar sein und in Spannungsklassen von 750V und 1200V erscheinen.

Das Supportangebot von ROHM

In Ergänzung des Leistungshableiterportfolios bietet ROHM eine Reihe von Werkzeugen an, um Entwickler in ihrer Aufgabe effiziente, robuste und kostengünstige leistungselektronikscher Wandler zu entwickeln, optimal zu unterstützen. Hierzu gehören verschiedene Simulationssysteme wie auch auf Bauteile oder Anwendungstopologien fokussierte Evaluationskits und technische Informationen, die die Entwicklungsarbeiten unterstützen können.

Simulationswerkzeuge
Wie auch in vielen anderen Entwicklungsbereichen lassen sich bei der Entwicklung leistungselektronischer Systeme Simulationen vorteilhaft einsetzen. ROHM bietet verschiedene Simulationswerkzeuge, die in unterschiedlichen Phasen der Entwicklung integriert werden können. Einen kurzen Überblick über diese Simulationswerkzeuge gibt Abbildung 3.

ROHM Simulationswerkzeuge
Abbildung 3: ROHM Simulationswerkzeuge (Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Zur Durchführung von Simulationen stehen SPICE Modelle bereit, um Schaltverläufe zu untersuchen oder den Effekt parasitärer Elemente im Umfeld der Leistungshalbleiter zu betrachten. Diese Modelle sind sowohl für Leistungshalbleiter als auch für IC-Produkte verfügbar, was die Simulation der Interaktion von Komponenten wie Gate-Treibern und Leistungshalbleitern ermöglicht. Zusätzlich können einfache Schaltungsbeispiele auf Basis von SiMetrix von der ROHM Website heruntergeladen werden. Auch ein erweitertes Portfolio von PLECS-Modellen steht bereit.

ROHM bietet außerdem den ROHM Solution Simulator, eine Simulationsumgebung, die auf der ROHM Website genutzt werden kann, an. Der ROHM Solution Simulator stellt Simulationen von leistungselektronischen Schaltungen mit ROHM-Produkten zur Verfügung und ermöglicht Kunden die Durchführung von Simulationen nur durch Wahl einiger Betriebsparameter. Es stehen Simulationsschaltungen zur Verfügung, die Leistungshalbleiter wie SiC MOSFETs, Stromversorgungs-ICs oder Schaltregler enthalten.

Zusätzlich werden die Referenzdesigns und Leistungsstufen von EVKs im ROHM Solution Simulator nachgebildet. Dabei besteht die Leistungsstufe aus Leistungshalbleitern, Gate-Treiber Schaltungen und Schutzbeschaltungen. Die Simulationen sind optimiert um das Verhalten der tatsächlichen Hardware, insbesondere der Schaltverläufe der Leistungshalbleiter, möglichst genau nachzubilden. Das Schaltverhalten ist unter anderem von den parasitären Induktivitäten, der Gate-Ansteuerungsbeschaltung und weiteren physischen Eigenschaften des Platinen-Designs abhängig. Um die Simulationsgenauigkeit zu verbessern, wurden elektromagnetische Feldanalysen durchgeführt, um die parasitären Elemente zu extrahieren und diese in der Simulation zu berücksichtigen.

Evaluations-Kits (EVKs) für Leistungshalbleiter
Halbbrücken Evaluations-Kit
Um Kunden die Evaluation von ROHM SiC MOSFETs der vierten Generation in SMD-Gehäusen (TO-263-7L) zu ermöglichen, entwickelt ROHM eine einfache und benutzerfreundliche Evaluationsplatine. Die Peformance der SiC MOSFETs und das Zusammenspiel mit dem isolierten ROHM Gatetreiber-IC BM61M41RFV-C kann anhand dieser Platine untersucht werden. Bei dem isolierten Gatetreiber-IC handelt es sich um einen einkanaligen Treiber mit 3,75 kVrms Isolation und einer integrierten aktiven Miller-Clamp Funktion. Auch weitere benötigte Funktionen wie eine isolierte Spannungsversorgung für die Sekundärseiten der Gatetreiber und ein Spannungsregler für die 5V Versorgung der Primärseiten der Gatetreiber sind auf der Platine integriert. Mit minimalem Aufwand können Einschaltspannungen von 15V oder 18V sowie Ausschaltspannungen von 0V, -2V oder -4V konfiguriert werden.

Halbbrücken Evaluationsplatine für TO-263-7L Komponenten
Abbildung 4: Halbbrücken Evaluationsplatine für TO-263-7L Komponenten (Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Die Größe der Platine beträgt 120mm x 100mm. Aufgrund der Halbbrückenstruktur der Platine lässt sich diese für verschiedene Anwendungen nutzen. So ist es möglich, die SiC MOSFETs im Rahmen eines Doppelpulstests zu untersuchen oder auch kontinuierlich bei kleinen Leistungen arbeitende Stromwandler mit Topologien wie Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder Inverter zu realisieren. Um diesen Prozess bei höheren Leistungen durchzuführen, kann ein Kühlkörper auf der Unterseite der Platine installiert werden.

Das hier gezeigte Evaluations-Kit stellt eine Platform zur Analyse des Verhaltens von Bauteilen wie den SiC MOSFETs der vierten Generation von ROHM unter variablen Betriebsbedingungen und Ansteuerrungskonfigurationen bereit. Die weiteren implementierten Schaltungsbestandteile wie die isolierte Spannungsversorgung können dem Nutzer als erster Startpunkt für eigene Entwicklungen dienen. Damit kann dieses Evaluationskit bei der Realisierung effizienter und robuster Designs unterstützen.

Totem Pole PFC Evaluations-Kit
Als Beispiel für ein stärker auf die Applikation fokussiertes Werkzeug wird hier ein Evaluations-Kit gezeigt, das eine vollständige Totem Pole PFC Stufe umfasst. In dieser Schaltung sind nicht nur die Leistungshalbleiter (hier SiC MOSFETs der 4. Generation und Si SJ MOSFETs) und deren Gate-Ansteuerung integriert, sondern auch alle zum Betrieb der Schaltung notwendigen Messschaltungen sowie die Regelung und weitere in einem typischen auf dieser Topologie basierten Industrienetzteil erforderlichen Schaltungsbestandteile integriert. Abbildung 5 zeigt ein Bild des Evaluations-Kit mit Abmessungen von ca 210 x 90 x 55 mm und einer Nennleistung von etwa 3 kW bei einer Eingangsspannung von 230 V AC.

Totem Pole PFC Evaluationskit
Abbildung 5: Totem Pole PFC Evaluationskit (Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Dieses Evaluations-Kit kann genutzt werden, um die implementierte Topologie im Detail zu untersuchen und applikationsspezifisches Benchmarking durchzuführen, um zum Beispiel den Einfluss der Halbleiterauswahl auf den Wirkungsgrad der Schaltung zu bewerten.

Technische Dokumentation und weitere Unterstützung
Zusätzlich zu den Evaluationskits und Simulationswerkzeugen steht eine ständig wachsende Auswahl von Applikationsschriften und weiteren Dokumentationen bereit, um Designaktivitäten mit ROHMs Leistungshalbleitern zu unterstützen. Viele dieser Dokumente geben Hinweise zur Durchführung von Messungen in Schaltungen mit sehr schnellen Bauteilen wie z.B. SiC MOSFETs. Ein Überblick zu diesen Materialien findet sich hier. Schlussendlich stehen sowohl in Europa, wo ROHM unter anderem ein modernes Applikationslabor für Leistungselektronik betreibt, als auch in Japan Teams aus erfahrenen Ingenieuren und Ingenieurinnen zur Unterstützung bereit.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurden zahlreiche technische Vorteile der kommenden vierten Generation SiC MOSFETs von ROHM aufgezeigt. Außerdem wurde eine Auswahl der von ROHM bereitgestellten Werkzeuge zur Unterstützung der Designaktivitäten vorgestellt. Diese beinhalten

  • Simulationsmodelle für SPICE basierte Simulationen sowie Modelle für Werkzeuge wie PLECS, sowie den ROHM System Solution Simulator,
  • In Kürze erscheinende Evaluationskits sowohl zur Bauteilcharakterisierung in einfachen Halbbrückenschaltungen als auch applikationsrelevante Schaltungen wie ein Totem Pole PFC,
  • Technische Informationen in Form von Applikationsschriften sowie Unterstützung durch Expertenteams  

Durch die Kombination aus leistungsfähigen Komponenten und einem breiten Unterstützungsangebot trägt ROHM dazu bei, effiziente Lösungen für die Leistungselektroniksysteme von morgen zu entwickeln.

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