Gatetreiber für die Kurzschlussfestigkeit von SiC-MOSFETs auslegen

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 t_SC 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

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 t_SC, wobei t_SC 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 (t_SC).

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.

Ergebnisse der Kurzschlussprüfung

Zur Prüfung der Kurzschlussfestigkeit von SiC-MOSFETs entwickelten Xuning Zhang und Kollegen 2018 im Rahmen der Studie „In-Depth Study of Short-Circuit Robustness and Protection of 1200V SiC MOSFETs“ von Xuning Zhang) eine entsprechende Testschaltung. Hier kamen passive Hochspannungstastköpfe mit hoher Bandbreite für die Messung der Spannung von Drain/Source (V_ds) und Gate/Source (V_gs) sowie eine Rogowski-Spule zur Messung des Bauteilstroms (I_ds) zum Einsatz. Gegenstand der Untersuchung ist die Kurzschlussfestigkeit des 1200-V/80-mΩ-SiC-MOSFET LSIC1MO120E0080 von Littelfuse unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Bild 1: Ergebnisse des Kurzschlusstests bei des 1200-V-SiC-MOSFETs bei 600 V Drain-Source-Spannung. Angesteuert wurde das Bauelement mit einer Gatespannung von 20 V. Littelfuse

Bild 2: Kurzschlusstest bei DC-Zwischenkreisspannungen von 200 V bis 800 V: Bei 800 V sinkt die Zeitdauer bis zum Kurzschluss auf 3,6 µs. Littelfuse

Zunächst erfolgte der Betrieb einzelner Bauteile unter Kurzschlussbedingungen bis zu ihrer Zerstörung. Bild 1 zeigt die Kurzschlusstestergebnisse bei Raumtemperatur von zehn Bauteilen bei 600 V Drain-Source-Spannung (entspricht der DC-Zwischenkreisspannung) und angesteuert mit 20 V Gatespannung. Bei Überprüfung der Kurzschlussdauer sowie der dazugehörigen Kurzschlussenergie bis zum Ausfall zeigen die Bauteile, die bei Tc = 100 °C mit 25 A eingestuft sind, eine enge Verteilung mit einem Kurzschlussstrom von etwa 250 A und eine Kurzschlussdauer von mehr als 7 µs. Bild 2 zeigt die Kurzschlusstestergebnisse bei verschiedenen DC-Zwischenkreisspannungen von 200 V bis 800 V, ebenfalls mit einer Gate-Spannung von 20 V. Während der Spitzenstrom ähnlich hoch ausfällt, sinkt die Zeitdauer unter Kurzschluss bis zum Ausfall von etwa 20 µs bei 200 V Zwischenkreisspannung auf 3,6 µs bei 800 V.

Bild 3: Verläufe des Kurzschlussstroms bei Gate-Spannungen von 15 V und 20 V: Der Spitzenstrom beträgt 250 A bei 20 V und sinkt auf 100 A bei 15 V. Littelfuse

Bei höherer Zwischenkreisspannung ist die augenblickliche Verlustleitung höher, was zu einem höheren Temperaturanstieg des Chips führt mit der Folge einer verkürzten Zeitspanne, dem Kurzschluss zu widerstehen. Wie bereits erwähnt, hängt der Kurzschlussstrom von der Höhe der Gatespannung ab – Bild 3 zeigt die Kurzschlussstromverläufe bei Gate-Spannungen von 15 V und 20 V sowie einer Drain-Source-Spannung von 600 V. Der Spitzenstrom beträgt 250 A bei 20 V Gatespannung und sinkt auf 100 A bei 15 V. Mit 15 V Gate-Spannung ergibt sich damit ein t_SC größer als 10 µs. Erste Kurzschlusstests zeigen, dass eine erhöhte Bauteiltemperatur bei unterschiedlichen Gatewiderständen keinen signifikanten Einfluss hat.

Die empfohlene Gate-Spannung für den getesteten SiC-MOSFET beträgt damit 20 V, um den On-Widerstand des Bauteils zu minimieren und t_SC beträgt 7 µs bei 600 V_ds und 3,6 µs bei 800 V_ds. Wird eine längere Kurzschlusszeit benötigt, so lässt sich dies durch Verwendung einer niedrigeren Bus-Spannung oder einer niedrigeren Gate-Spannung erreichen. Beide Ansätze beeinflussen jedoch die Umrichterauslegung. Ein besserer Ansatz besteht darin, einen schnell reagierenden Gatetreiber zu verwenden, der einen Kurzschluss erkennen und den MOSFET abschalten kann, bevor es zur Beschädigung kommt.

Die Vorteile von Gate-Treibern mit V_CE(SAT)-Überwachung beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Gate-Treiber mit V_CE(SAT)-Überwachung

Um den MOSFET vor Kurzschlussausfall zu schützen, muss der Gatetreiber Überstrom erkennen und das Bauelement in einer kürzeren Zeit als die Kurzschlusszeit t_SC ausschalten. Gatetreiber-ICs für Si-IGBTs mit integrierter V_CE(SAT)-Überwachung (De-Sat-Detection) sind Stand der Technik und von verschiedenen Herstellern erhältlich. Diese ICs überwachen den V_CE-Spannungsabfall des IGBTs im eingeschalteten Zustand und schalten das Bauteil ab, wenn die Collector-Emitter-Spannung über einen Referenzwert ansteigt, was beispielsweise im Kurzschlussfall passiert. Derartige Treiber-ICs können auch für den SiC-MOSFET-Kurzschlussschutz durch Überwachung des Drain-Source-Spannungsabfalles Verwendung finden, wenn die Ansprechzeit kurz genug ist.

Bild 4: Treiberkonzept mit De-Sat-Überwachung. Für einen ströungsfreien Betrieb ist es hier notwendig, die Schaltflanke „auszublenden“. Littelfuse

Bild 5: Kurzschlussstrom und Reaktionszeit bei aktiver Überwachung. Durch die hohe Schaltgeschwindigkeit ist die Ausblendzeit kürzer als bei IGBT-Schaltungen. Littelfuse

Bild 4 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines solchen Treibers. Um unter Normalbedingungen einen störungsfreien Betrieb zu erreichen, ist es bei diesem Treiberkonzept notwendig, die Schaltflanke „auszublenden“. Dazu dient die Beschaltung mit D_D, R_D, D_C und C_B. D_D und D_C schützen den De-Sat-Eingang des ICs vor der Zwischenkreisspannung, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist. C_B und R_D bestimmen die Ausblendzeit, die eine Fehlauslösung durch die Schaltflanke vermeidet. Bild 5 zeigt beispielhaft den Kurzschlussstrom und die Reaktionszeit mit aktiver V_CE(SAT)-Überwachung. Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit und dem erforderlichen optimierten Stromkreis-Layout kann die Ausblendzeit deutlich kürzer ausfallen als bei IGBT-Schaltungen. Für SiC-Bauteile wird C_B in der Regel kleiner als 100 pF gewählt und die Ausblendzeit kann lediglich 200 ns betragen. Damit lässt sich die Gesamtreaktionszeit des Treiber-ICs reduzieren und der SiC-MOSFET effektiv schützen.

Messungen der Reaktionszeiten verschiedener ICs (TLP5214, ISO5852S und Si8285) unter Verwendung einer Kapazität von 33 pF für C_B zeigen, dass alle ICs den SiC-MOSFET innerhalb von 1 bis 4 µs ausschalten und dadurch das Bauteil gegen Kurzschluss schützen können. Zudem verfügen sie über die Funktion zum langsamen Ausschalten des Bauteils unter Kurzschlussbedingungen, um die Ausschaltüberspannung und den dynamischen Stress im Bauteil zu reduzieren.

Kurzschlussschutz in Halbbrückenkonfiguration

Bild 6: Kurvenverlauf bei einem Brückenkurzschluss. Die Ergebnisse zeigen, dass sich der MOSFET auch in der Halbbrücke sicher ausschalten lässt. Littelfuse

In Halbbrückenkonfiguration erfolgte der Test der MOSFETs zusammen mit dem Gatetreiber-IC TLP5214 mit der längsten Ansprechzeit von 3,5 µs unter Kurzschlussbedingungen. Bild 6 zeigt die Kurvenformen während des Brückenkurzschlusses mit 800 V_DC Busspannung. Beim Test der Halbbrücke wird der Brückenkurzschluss erzeugt, indem bei eingeschaltetem oberen Schalter („HS“) der untere Schalter („LS“) geschaltet wird. Die Ansteuerung und Kontrolle des LS-Schalters erfolgte hier mit einem Treiber mit V_CE(SAT)-Überwachung.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich SiC-MOSFETs auch in der Halbbrücke sicher ausgeschalten lässt. Zudem wird deutlich, dass sich hier die Busspannung im Kurzschlussfall auf beide Bauteile aufteilen kann, was mehr Spielraum für die Reaktionszeit der Schutzschaltung bietet. Wenn sowohl das untere als auch das obere Bauteil eine Kurzschlussüberwachung besitzen, ist jedes in der Lage, den gesamten Stromkreis zu schützen.

(na)