Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) sind aufgrund ihrer extrem geringen Schalt- und Leitungsverluste im Vergleich zu Si-IGBTs vielversprechende Kandidaten für Umrichter, die allerdings teilweise kurzschlussfeste Leistungshalbleiter erfordern. Zur Prüfung der Kurzschlussfestigkeit sind umfangreiche Tests erforderlich, denn aufgrund der höheren Kurzschlussstromdichte und der geringeren Chipgröße (thermische Kapazität) ist die Kurzschlusszeit tSC von SiC-MOSFETs kürzer als die von Si-IGBTs. Bei richtiger Auslegung des Gatetreibers ist jedoch auch mit SiC-MOSFETs der Kurzschlussfall beherrschbar.

Kurzschlussfestigkeit von SiC-MOSFETs

Eck-Daten

Der Beitrag untersucht die Kurzschlussfestigkeit von 80-mΩ-SiC-MOSFETs für 1200 V von Littelfuse unter verschiedenen Bedingungen – sowohl in Bezug auf die Anwendung als auch auf das Design des SiC-Bauteils. Anhand konkreter Messungen vergleicht der Artikel verschiedene handelsübliche Treiber-ICs mit VCE(SAT)-Überwachung und diskutiert den Kurzschlussschutz sowohl eines Einzelschalters als auch einer Halbbrückenkonfiguration. Ergebnis der Untersuchungen ist ein Gatetreiber-Design, welches 1200-V/80-mΩSiC-MOSFETs unter realen Kurzschlussbedingungen schützen kann.

Der Vergleich eines Si-IGBTs mit einem SiC-MOSFET mit vergleichbarem Rating unter Kurzschlussbedingungen zeigt, dass die Stromdichte des SiC-Bauelements die des Si-Bauteils um das Fünf- bis Zehnfache übertrifft. Die höhere momentane Leistungsdichte und geringere thermische Kapazität des kleineren SiC-Chips führen aber zu einem schnelleren und höheren Temperaturanstieg und damit zu einer geringeren Kurzschlusszeit tSC, wobei tSC die Zeitspanne unter Kurzschluss ist, die noch nicht zur Zerstörung des Bauteils führt.

Die Leistung, die im Kurzschlussfall den Chip erhitzt, ist das Produkt aus Kurzschlussstrom und der Zwischenkreisspannung, da das Bauteil unter Kurzschluss entsättigt und die Drain-Source-Spannung dann der Zwischenkreisspannung entspricht. Den MOSFET-Kurzschlussstrom legt dabei in erster Linie das Design des Kanalbereichs fest. Ein kürzerer Kanal und eine höhere Gate-Spannung im eingeschalteten Zustand sind wünschenswert, um den Einschaltwiderstand so klein wie möglich zu halten. Allerdings erhöhen sowohl ein kurzer Kanal als auch eine hohe Gate-Spannung den Kurzschlussstrom und reduzieren die Kurzschlussfestigkeit (tSC).

Dieser Kompromiss zwischen Einschaltwiderstand und Stromdichte im Kurzschluss ist fester Bestandteil des SiC-MOSFET-Designs und lässt sich nicht anpassen, ohne die Bauteilperformance zu beeinträchtigen. Beherrschbar ist die Kurzschlussfestigkeit am besten durch den Einsatz von Gatetreibern mit kurzer Reaktionszeit. Auf diese Weise bleiben die außergewöhnlichen Schalteigenschaften von SiC nutzbar und es wird der Bauteil- beziehungsweise Geräteschutz unter Kurzschluss sichergestellt.

 

Auf der folgenden Seite erfahren Sie die Ergebnisse der Kurzschlussprüfung im Detail.

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