Die Elektronik in Transportsystemen ist vielen Belastungen ausgesetzt. Daher sind hier besonders bei einer so jungen Technologie wie SiC Zuverlässigkeit und Robustheit der Bauelemente ausschlaggebend.

Die Elektronik in Transportsystemen ist vielen Belastungen ausgesetzt. Daher sind hier besonders bei einer so jungen Technologie wie SiC Zuverlässigkeit und Robustheit der Bauelemente ausschlaggebend. (Bild: Microchip)

Das Transportwesen berührt viele Branchen Tag für Tag und befördert Menschen und Güter von A nach B. Eine Unterbrechung dieses Systems hätte einen Domino-Effekt zur Folge. Insbesondere der Schienenverkehr ist verschiedenen Wetterphänomenen ausgesetzt. Daher muss die hier zum Einsatz kommende Leistungselektronik robust und widerstandsfähig sein. Microchip bietet hierfür Bauelemente in Standard- und anwendungsspezifischen Gehäusen. Die Robustheit von SiC-MOSFETs unter verschiedensten Bedingungen ist für Hilfsstromversorgungen (APUs, Auxiliary Power Units) von entscheidender Bedeutung, wenn diese konventionelle als auch Notstromlasten versorgen sollen. Folgendes ist zu prüfen: die Stabilität und Lebensdauer des Gate-Oxids des MOSFETs, die Stabilität der Body-Diode des MOSFETs und die Ausfallfestigkeit, wie z.B. die Lawinendurchbruch-/Avalanche-Robustheit.

Stabilität und Lebensdauer des MOSFET-Gate-Oxids

Um den stabilen Betrieb des Leistungswandlers zu gewährleisten, müssen die Leistungsbauelemente eine minimale Schwellenspannungsverschiebung und eine zuverlässige Leistungsfähigkeit während der gesamten Lebensdauer des Wandlers aufweisen. Bild 1 zeigt, dass die Uth-Daten für SiC-MOSFETs nach 1000 Stunden Belastung bei 175 °C keine nennenswerten Änderungen aufweisen sollten.

Bild 1: Schwellenspannung von SiC-MOSFETs vor und nach der Belastung (links), negative und positive Hochtemperatur-Gate-Bias-Belastung (rechts).
Bild 1: Schwellenspannung von SiC-MOSFETs vor und nach der Belastung (links), negative und positive Hochtemperatur-Gate-Bias-Belastung (rechts). (Bild: Microchip)

Die Lebensdauer des Gate-Oxids lässt sich vorhersagen, indem Muster bei erhöhter Temperatur und erhöhtem elektrischen Feld bis zum Versagen getestet werden. Ein SiC-MOSFET-Gate-Oxid kann bei hoher Belastung weit über 100 Jahre halten, was einen routinemäßigen, zuverlässigen APU-Betrieb über die vorgesehene Lebensdauer hinaus sicherstellt.

Stabilität der Body-Diode

Ein SiC-MOSFET kann mithilfe seiner eigenen Body-Diode den Sperrstrom leiten. Im Vergleich zu einem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) erhöht ein SiC-MOSFET mit stabiler Body-Diode die Zuverlässigkeit und senkt die Kosten, da sich die antiparallele Diode erübrigt. Die Zuverlässigkeit der Body-Diode variiert jedoch stark zwischen den verschiedenen Anbietern. Bei einigen Bausteinen verschlechtert sich diese Diode im Laufe der Zeit, was zu einem erhöhten RDS(on) und mehr Wärme als vorgesehen führt. Bild 2 zeigt I-U-Kurven von Body-Dioden und den Drain-Source-Widerstand (RDS(on)) des MOSFETs im Ein-Zustand nach vielen Stunden konstanter Durchlassstrombelastung. Die getesteten Bausteine von Microchip zeigen keine wahrnehmbare Verschiebung.

Bild 2: Der Einschaltwiderstand vor und nach Belastung für SiC-MOSFETs von Microchip.
Bild 2: Der Einschaltwiderstand vor und nach Belastung für SiC-MOSFETs von Microchip. (Bild: Microchip)

Robust bei Lawinendurchbrüchen

APUs im Transportbereich sind anfällig für eine Vielzahl von Fehlerzuständen und erfordern SiC-MOSFETs, die darauf ausgelegt sind, diese Ereignisse sicher und zuverlässig zu überstehen und vor und nach Fehlern eine konstante Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Robustheit gegenüber Lawinendurchbrüchen ist eine der wichtigsten Anforderungen. Die Ursache für Lawinendurchbrüche eines Leistungselektronik-ICs ist sehr oft eine nicht geklemmte Induktionsschaltung. Der Laststrom fließt plötzlich in den MOSFET und zwingt die Drain-Source-Spannung dazu, bis zum Durchbruch anzusteigen. Im Gegensatz zu einem Kurzschluss werden die MOS-Kanäle nicht vergrößert – der Lawinenstrom drängt sich an den Rand des Chips (Die) und bringt den Baustein schnell an seine thermischen Grenzen.

Das Lawinenphänomen ist bei Leistungshalbleitern ein ernst zu nehmendes Problem, da sich die Lebensdauer aufgrund der elektrischen Belastung und der Überhitzung verringern kann. Um die Lawinenrobustheit eines Bauteils zu bewerten, kommt wiederholtes induktives Schalten ohne Klemmen (R-UIS; Repetitive Unclamped Inductive Switching) zum Einsatz. Bild 3 zeigt den zeitabhängigen dielektrischen Durchbruch (TDDB, Time-Dependent Dielectric Breakdown) für gängige SiC-MOSFETs vor und nach 100.000 R-UIS-Zyklen. Anders als viele andere Anbieter behält Microchip die Oxidstärke der Leistungsbauelemente nicht bei. Das Resultat ist eine bis zu vierfache Robustheit der SiC-MOSFETs bei gleichzeitiger Stabilität des RDS(on) und Drain-Source-Leckstroms. Sie können als auch anspruchsvolle elektrische Überlastbedingungen sicher überstehen.

Bild 3: Zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch vor und nach wiederholtem Avalanche-Ausfall für SiC-MOSFETs von vier Anbietern.
Bild 3: Zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch vor und nach wiederholtem Avalanche-Ausfall für SiC-MOSFETs von vier Anbietern. (Bild: Microchip)

Warum APUs robuste Elektronik brauchen

Viele Parameter, die für SiC-Leistungsbauelemente in Transportanwendungen ausschlaggebend sind, sind nicht im Datenblatt zu finden. Dies betrifft vor allem Parameter wie Stabilität und Lebensdauer des MOSFET-Gates, die Stabilität der Body-Diode und Robustheit bei Lawinendurchbrüchen. APUs im Transportbereich sind anfällig für eine Vielzahl von Fehlerzuständen und fordern deshalb SiC-MOSFETs, die darauf ausgelegt sind, diese Ereignisse sicher zu zuverlässig zu überstehen bzw. vor und nach Fehlern eine konstante Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten.

Intelligente Gate-Treiber sind gefragt

Da ein Gate-Treiber eine (oft galvanisch getrennte) Schnittstelle zwischen High- und Low-Side darstellt und darüber hinaus eine zuverlässige Gate-Steuerung, Überwachung und viele andere Sicherheitsfunktionen unter allen Bedingungen und/oder Umständen bietet, ist er eines der wichtigsten Subsysteme in Bezug auf Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Unter normalen Betriebsbedingungen folgt der Gate-Treiber den Befehlen des Host-Controllers, um einen Leistungshalbleiter ein-/auszuschalten. Die Wandler benötigen Gate-Treiber mit einstellbarer Totzeit, so dass die Gate-Treiber genügend (Tot-)Zeit bereitstellen, um die Sperrfähigkeit des auszuschaltenden Bauelements wiederherzustellen. Die Spannung, die zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters an das Gate angelegt wird, beeinflusst den RDS(on) und ist daher ein weiterer wichtiger Parameter, um Leitungsverluste zu minimieren.

Bild 4: Auf der Adapterplatine montierter Gate-Treiber-Core und das Leistungselektronikmodul von Microchip, das als Evaluierungskit bereitsteht.
Bild 4: Auf der Adapterplatine montierter Gate-Treiber-Core und das Leistungselektronikmodul von Microchip, das als Evaluierungskit bereitsteht. (Bild: Microchip)

Die Gate-Widerstände bestimmen die Geschwindigkeit der Schalttransienten und damit die Zeit, die der Leistungshalbleiter zum Ein- oder Ausschalten benötigt. Entwickler optimieren diese Parameter nach den verschiedenen Anforderungen. Zuverlässigkeit bedeutet auch, den Wandler vor Fehlern zu schützen, die im schlimmsten Fall zerstörerisch sein können. Die digitalen programmierbaren Gate-Treiber von Microchip (Bild 4) bieten volle Flexibilität bei der Anpassung der Parameter an die Anwendung, das Lastprofil oder andere spezifische Anforderungen. Darüber hinaus bieten sie eine Fehlerrückmeldung, die bei der Fehlerdiagnose nützlich ist. Hinzu kommt eine Messung der DC-Zwischenkreisspannung und Temperatur. Kurzschlüsse in Wandlern können bei unsachgemäßer Handhabung zerstörerisch wirken. Der Schutz durch das Augmented Switching von Microchip begrenzt den Fehlerstrom, indem der Fehler früher erkannt wird, und begrenzt die Überspannung, indem das Abschalten durch eine mehrstufige Gate-Treiberspannung gesteuert wird. Den Gate-Treibern können durch eine Software viele Parameter und Funktionen zugewiesen werden, sodass ihre Konfiguration nicht mehr Hardware-seitig vorgenommen wird. (na)

Xuning Zhang

Sr. Technical Staff Manager bei Microchip

Tomas Krecek

Application Engineer bei Microchip

Nitesh Satheesh

Technical Staff Engineer bei Microchip

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

Microchip Technology Ltd

Unit 720, Wharfedale Road, Winersh
0 Wokingham. RG41 5TP
United Kingdom