Erster SiC Leistungs-MOSFET in Designs einsetzbar

Der Hauptvorteil der SiC-Halbleiter liegt im Vergleich zu reinen Silizium- oder Galliumarsen-Halbleitern in dem größeren Bandabstand, der Wide-Band-Gap. Während GaAs einen Bandabstand von 1,43 eV und Silizium einen von 1,12 eV hat, bietet die Kristallstruktur von SiC einen mehr als doppelt so großen von 3,2 eV. Es gibt Kristallstrukturen mit noch größerem Bandabstand: GaN hat 3,4 eV und reiner Diamant 5,6 eV. In einem idealen Bauteil führt ein größerer Bandabstand zu reduzierten Trägerkonzentrationen bei hohen Betriebstemperaturen und zu verringertem Leckstrom.

SiC contra GaN

Seit Mitte der 2000er Jahre wird diskutiert, welche der Wide-Gap-Technologien die Nase vorne hat, und gegen Ende der Dekade stellte sich heraus, dass SiC näher an den Vorteilen des funktionalen Einsatzes ist. GaN hat sich als weniger stabil und langlebig bei hohen Temperaturen erwiesen. Das Material ist nicht für hohe Leistungsdichten geeignet, kann andererseits aber bei Frequenzen bis 40 GHz eingesetzt werden, wogegen bei SiC bereits bei 6 GHz Schluss ist. GaN wird aber sicher im Spannungsbereich von 600 bis 1200 V eine Alternative zu SiC sein.

Firmen, die sich mit Wide-Band-Gap-Material beschäftigen sind bekannte Größen wie Cree, SemiSouth,Toshiba, Rohm und Mitsubishi, die sich zum Teil seit Jahrzehnten mit dieser Technologie beschäftigen. Aber auch „Halbleiterneulinge“ in China (TankeBlue Semiconductor, Beijing) und Russland (N-Crystal, Sankt Petersburg) sind mit dem Material befasst und ernsthafte Anbieter. Substratlieferanten sind unter anderem Down Corning und Nippon Steel, die Wafer mit 4 und 6 Zoll herstellen.

Si-MOSFET contra SiC-MOSFET

Gegenüber Si Leistungs-MOSFETs, aber auch gegenüber IGBTs und ESBTs haben die SiC-MOSFETs drei Vorteile:

• Als unipolare Halbleiter haben sie wesentlich geringere Gatekapazität  sowie Gateladung und damit geringste Schaltverluste.
• Geringe Abhängigkeit des sehr niedrigen Einschaltwiderstandes von der Temperatur, damit geringer Spannungsabfall und geringe Verluste im leitenden Zustand. Bei Si-MOSFETs beträgt der Anstieg des RDSon über der Temperatur bis 250%, bei SiC- MOSFETs nur 20%.
• Wide-Band Gap Halbleiter haben bis zu 100-fach viel geringere Leckströme verglichen zu Si-MOSFETs, dies besonders bei höheren Temperaturen.

Wie sich diese Vorteile auswirken wird im Folgenden näher betrachtet.

Verringerte Schaltverluste

Die im Vergleich zu SiMOS und IGBT niedrigeren Schaltverluste von SiC sind gravierend. Bild 1 zeigt links den Vergleich der Einschaltverluste und rechts der Ausschaltverluste. Bemerkenswert ist der Anstieg der Ausschaltverluste beim bipolaren IGBT aufgrund des Schwanzstroms verglichen mit dem SiC-MOSFET, der ein Majoritätsladungsträger-Halbleiter ist. Die geringeren Schaltverluste ermöglichen signifikant höhere Schaltfrequenzen bei gleicher oder höherer Effizienz. Sie führen auch zu reduzierter Bauteilgröße, geringerem Gewicht und geringeren Kosten der zugehörigen induktiven Bauteile und der EMV-Filter-Komponenten.

Geringer R_ds(on)

Der geringe und nur gering von Temperaturänderungen betroffene R_ds(on) des SiC-MOSFETs führt zu den geringen Verlusten im durchgeschalteten Zustand und zu geringen Verlusten im Conducting- Mode (Bild 2). Er führt auch zu signifikant geringeren Verlusten mit zunehmender Temperatur, damit zu höherer Effizienz und zu Systemen, die mit geringerer Temperatur laufen, was wiederum zu einer höheren Zuverlässigkeit beiträgt.

Verringerte Leckströme

Bild 3 zeigt die ebenfalls stark verringerten Leckströme. Der Leckstrom ist in diesen Fall der geringe Strom, der im ausgeschalteten Zustand des MOSFETs zwischen Drain und Source fließt. Dieser Strom sollte idealer Weise null sein, da aber gedoptes Material verwendet wird, fließt immer ein geringer Strom zwischen diesen Elektroden, dies auch im Aus-Zustand.

Der Leckstrom steigt mit der Temperatur an, ebenso die maximale Sperr-Spannung . Bei hohen Temperaturen und maximaler Sperrspannung kann der Leckstrom zu weiteren Verlusten im Aus-Zustand beitragen, was zu geringerer Effizienz und Zuverlässigkeit führt. SiC-MOSFETs zeigen wegen der Vorteile des Wide Band-Gap Materials einen 100-fach geringeren Leckstrom bei hohen Temperaturen. Das bedeutet höhere Zuverlässigkeit und Effizienz und stark verbesserte Eigenschaften bei hohen Temperaturen.

Erster kommerziell verfügbarer SiC Leistungs-MOSFET

Nach 20 Jahren Forschung ist die Ausbeute bei SiC Leistungs-MOSFETs jetzt in einen Bereich gekommen, der marktfähige Preise zulässt. So bietet Cree mit dem CMF20120 D über Eurocomp den ersten kommerziell verfügbaren SiC 1200 V N-Kanal Leistungs-MOSFET vom Anreicherungstyp für 20A an. Seine wesentlichen Daten sind: VDS = 1200 V, R_DS(on) = 80 mOhm und ID(max) = 33 A (bei TC = 25 °C). Der CMF20120 D im TO-247-3 Gehäuse kann Si-Leistungs-MOSFETs, IGBTs und ESBTs in Applikationen ersetzen, die hohen Wirkungsgrad und kurze Schaltzeiten erfordern. Auch kann er auf einfache Weise parallelgeschaltet werden. Der SiC Leistungs-MOSFET CMF20120 D kann alle 1200 V Si MOSFETs und IGBTs ersetzen, einschließlich der 1200V IGBTs, die derzeit den Invertermarkt für Antriebe und Solarwechselrichter dominieren. SiC MOSFETs können in der Boost- und Invertersektion von DC/AC Wandlern eingesetzt werden und können da die Schaltverluste um mehr als 30 Prozent verringern. In Kombination mit Crees SiC Junction Barrier Schottkydioden liegt die Gesamtsystemeffizienz bei > 99 Prozent. 1700 V Typen des neuen SiC-MOSFET werden in Kürze folgen.

Erste Applikationen

Bild 4 zeigt einen 3-Phasen Solarinverter für 7 kW und 750 V DC. Im Bild 5 wird die Effizienzsteigerung des mit SiC-MOSFETs aufgebauten Inverters verglichen mit einem mit IGBT-Modulen aufgebauten Inverters demonstriert. Man kann deutlich den starken Anstieg der Effizienz der SiC-Variante erkennen und den geringen Rückgang der Effizienz bei zunehmender Wechselstromleistung. Gerade in Solarinvertern, wo eine Effizienzsteigerung von 0,1 Prozent eine große Verbesserung darstellt, ist diese Tatsache von hoher Wichtigkeit. Aus diesem Grund haben SiC-MOSFTs eine große Zukunft in dieser Industrie.

Weitere Beispiele für Applikationen, in denen der Einsatz des SiC-MOSFETs sinnvoll ist sind Stromversorgungen für Datencenter, hier können sie 1200V Si-IGBTs und -MOSFETs mit erheblicher Steigerung der Effizienz ersetzen. In Schweißgeräten, Plasmaschneidern und Induktionsheizern können die dort bislang verwendeten 1200 V Si-MOSFETs ersetzt werden. Da sie dort mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten können, reduziert das außerdem die Größe der Transformatoren und sonstiger Induktivitäten. In HF-Plasmageneratoren, wie sie zum Beispiel in der Halbleiterfertigung verwendet werden, ersetzen sie ebenfalls die 1200V Si-MOSFETs und führen hier ebenso wegen der höheren Schaltfrequenzen zu kleineren Transformatoren und Induktivitäten und außerdem zusätzlich zu höherem Wirkungsgrad.

Schlussbemerkung

Mit dem ersten SiC Leistungs-MOSFET steht jetzt ein Wide-Band-Gap MOSFET für erste Design zur Verfügung. Sein Einsatz führt zu höherer Systemeffizienz und ermöglicht höhere Systemschaltfrequenzen. Auch werden die Anforderungen an das Wärmemanagement geringer und die Sicherheit gegen Lawinendurchbruch (Avalanchefestigkeit) ist wesentlich erhöht.

(sb)