Kaskodenbausteine aus Si-MOSFET und SiC-JFET

Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten durch ihren weiten Bandabstand (Wide-Band-Gap, WBG) Vorteile beim drahtlosen Laden (Wireless Charging) und in kleinstformatigen Leistungswandlern.

WBG-Bausteine haben eine deutlich größere Energiebandlücke als Siliziumhalbleiter (Si). So weist 4H-SiC eine Bandlücke von 3,2 eV im Vergleich zu 1,1 eV bei Si auf. Die erforderliche höhere Energie, um Elektronen in WBG-Halbleitern vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen, bedeutet größere elektrische Feldstärken im Vergleich zu Si gleicher Schichtdicke. SiC arbeitet auch bei deutlich höheren Temperaturen stabil und hat die dreieinhalbfache Wärmeleitfähigkeit von Si. In der Praxis versprechen diese Eigenschaften einen Hochfrequenz- und Hochtemperaturbetrieb bei hohen Spannungs- und Leistungspegeln.

Mittlerweile ist die Leistungshalbleiter-Technologie weit fortgeschritten und bringt neue Bausteine auf Basis von Si, SiC und GaN mit immer neuen Schichtstrukturen und speziellem Schaltverhalten hervor (Bild 1).

Bild 1: SiC-JFET mit vertikaler Trench-Zelle, der im Vergleich zu einer lateralen GaN-HEMT-Zelle (High Electron Mobility Transistor) einen sehr geringen Durchlasswiderstand aufweist. United SiC

Auch MOSFETs haben ihre Schwächen

In Si und SiC gefertigte MOSFETs (Anreicherungstyp, Normal-AUS) sind oft die erste Wahl für Schaltungsanwendungen im niedrigen und mittleren Leistungsbereich – frei von Nachteilen sind jedoch auch sie nicht.

Die in MOSFETs konstruktionsbedingt vorhandene Body-Diode hat in Durchlassrichtung einen hohen Spannungsabfall und eine relativ hohe Sperrverzögerungsladung Q_rr, die häufig um den Faktor 3 über der Temperatur variiert. In Anwendungen wie hart-geschalteten Brücken mit induktiven Lasten, Brems-Choppern und brückenlosen Totem-Pole-Treibern für PFC-Stufen verursachen beide Größen erhöhte Leistungsverluste. Eine extern parallelgeschaltete SiC-Schottky-Diode umgeht die Problematik – jedoch zu deutlich höheren Kosten und mit begrenztem Nutzen.

Weiterhin ist die niedrige Gate-Einschaltschwelle von etwa 2,2 V bei SiC-MOSFETs kritsch und muss für einen optimalen und sicheren Betrieb in engen Grenzen bleiben. Mit der Gate-Source-Spannung variiert auch der Kurzschlusssättigungsstrom, welcher nur schlecht zu regeln ist – ein Hauptproblem für die Zuverlässigkeit des Systems.

Besonders problematisch für hohe Schaltfrequenzen sind bei MOSFETs die relativ großen Eingangs-, Ausgangs- und Miller-Kapazitäten. Sie stellen erhebliche Anforderungen an die Gate-Ansteuerung, führen zu Umladeverlusten und bedeuten die Gefahr eines fehlerhaften Einschaltens durch Strom, der aus den Miller-Kapazität in das Gate injiziert wird.

Eine Alternative sind hier JFETs ohne Body-Diode, die jedoch bei einer Gate-Spannung von 0 V leitend sind und nur bei -7 V sperren. Normal-EIN-Bausteine sind in einigen Schaltanwendungen nützlich, Normal-AUS-Varianten kommen jedoch häufig bevorzugt zum Einsatz.

Warum Kaskodenanordnungen schnell und effizent sind und die Vorzüge von Si und SiC vereinen können, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Bild 2: Kaskodenanordnung eines Si-MOSFET und SiC-JFET. United SiC

Schneller und effizienter mit Kaskode

Um die Nachteile von MOSFETs zu umgehen und dennoch die Vorteile der WBG-Halbleiter zu nutzen, haben viele Hersteller die Kaskodenanordnung wieder aufgegriffen (Bild 2). Dabei sind ein Low-Voltage-Si-MOSFET (selbstsperrend) und ein SiC-Trench-JFET in Reihe geschaltet, wobei das JFET-Gate mit dem MOSFET-Source-Anschluss verbunden ist.

Bei positiver Spannung am Gate (U_{GS_MOSFET}) wird der MOSFET leitend (EIN), wodurch das SiC-JFET-Gate kurzgeschlossen und der JFET ebenfalls leitend wird. Mit U_{GS_MOSFET} von 0 V wird die Drain-Source-Strecke des MOSFETs hochohmig (AUS) und der Spannungsabfall über dieser Strecke steigt. Überschreitet U_{DS_JFET} dabei den Betrag von 6 V (das SiC-JFET-Gate ist dann 6 V negativer als sein Source), wird auch der JFET hochohmig (AUS). Aus Sicherheitsgründen ist U_{DS_MOSFET} auf einen Anstieg von 15 bis 20 V dimensioiert, um den JFET vollständig zu sperren.

Im Gegensatz zu anderen Kaskodenanordnungen bedeutet der extrem geringe C_{DS_JFET}-Wert (Drain-Source-Kapazität) nach dem Abschalten, dass der kapazitive Teiler mit dem MOSFET die gesamte über dem Hochspannungs-SiC-JFET entstehende Spannung begünstigt. Der Si-MOSFET kann daher ein Low-Voltage-Baustein mit einhergehendem niedrigen Durchlasswiderstand R_DS(on) von einigen Milliohm sein. Den Gesamtdurchlasswiderstand der Kaskode dominiert dann der JFET.

Bild 3: Kapazitäten einer SiC-Kaskode basierend auf dem 1200-V-Baustein UJC1206K von UnitedSiC. United SiC

Geringere Verluste bei mehr Eigensicherheit

Nach der Weiterentwicklung stehen nun MOSFETs zur Verfügung, welche die bisherigen Einschränkungen überwinden. Die optimierte Body-Diode in Low-Voltage-Si-MOSFETs erreicht einen sehr niedrigen Q_rr-Wert, der um den Faktor 2 kleiner als der eines High-Voltage SiC-MOSFET ist oder etwa zwanzig Mal kleiner als bei einer Standard-Fast-Recovery-Diode. Damit entfällt in der Praxis eine zusätzliche parallele Diode, wenn die Body-Diode in bestimmten Schaltungszuständen zum Tragen kommt.

Im Vergleich zu einem SiC-MOSFET ist der Aufbau des Gate-Treibers für einen Si-MOSFET eher unkritisch und kommt mit maximal 25 V aus. Die Gate-Source-Spannung des MOSFETs in der Kaskode beeinflusst den Kurzschlusssättigungsstrom im voll durchgeschalteten Zustand mit etwa +8 V nicht. Hier begrenzt der JFET den Stromfluss im vertikalen Kanal auf ein Sättigungsniveau. Vorteilhafterweise wirken sich die hohe erlaubte Sperrschichttemperatur und die Verlustwärme ebenfalls begrenzend auf die Leitfähigkeit des JFET-Kanals aus.

Bild 4: SiC-Kaskoden decken auch andere zulässige Gate-Ansteuerspannungen ab. United SiC

Vorzüge von Si und SiC vereinen

Optimiert für die Anwendung in der Kaskode hat der Low-Voltage-MOSFET eine äußerst geringe Eingangskapazität C_iss (small signal input capacitance) und eine Drain-Gate-Miller-Kapazität C_rss (small signal reverse transfer capacitance) von praktisch Null (Bild 3). Dies führt zu einer geringen Gate-Ansteuerleistung und umgeht die Gefahr fehlerhaften Einschaltens aufgrund von dV/dt-Stromspitzen aus der Miller-Kapazität.

Bedingt durch die Ausgangskapazität C_oss (small signal output capacitance) treten bei Schaltvorgängen Energieverluste (E_oss) auf. Bei 650-V-Bausteinen hingegen weist eine SiC-Kaskode mit etwa 6,5 μJ weniger als den halben Verlustwert auf als vergleichbare diskrete Si- oder SiC-MOSFETs.

Aber auch die Kaskode bringt einen Minuspunkt mit sich: die Schaltung reagiert sehr schnell und bedarf einer gewissen Zähmung. In der Praxis sind die Anstiegsgeschwindigkeiten dV/dt und di/dt auf handhabbare Werte zu beschränken, um die EMV-Standards einzuhalten, aber auch, um induzierte Strom- und Spannungsspitzen von geschalteten Induktivitäten zu begrenzen. Über externe Gate-Widerstände lassen sich dV/dt und di/dt optimal einstellen.

Gerade bei der Aktualisierung bestehender Anlagen können SiC-Kaskoden als Ersatz für viele Anwendungen dienen. Warum das so ist, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Kaskoden bei Schaltungsaktualisierung

Die Nachfrage hinsichtlich der Aktualisierung bestehender Anlagen, bei denen ein vollständig neues Design weder machbar noch wirtschaftlich erscheint, ist hoch. Die meisten WBG-Schaltlösungen eignen sich schlecht für den Austausch bestehender Bauteile wie IGBTs oder Si-MOSFETs, denn die Gate-Ansteuerung für diese Bauelemente ist nicht kompatibel zu den präzisen Gate-Ansteuerspannungen, wie sie für SiC-MOSFETs oder GaN-HEMT-Bauelemente erforderlich wären. Kaskoden-SiC-JFETs lassen sich jedoch als direkter Ersatz verwenden. Sie sind in den üblichen TO-247- und TO-220-Gehäusen erhältlich und zu einer Vielzahl von Gate-Ansteuerspannungen kompatibel, die alle anderen Bauteilstandards umfassen (Bild 4).

SiC-Kaskoden können als Ersatz in vielen Anwendungen mit IGBTs, Si-MOSFETs oder sogar SiC-MOSFETs zum Einsatz kommen – und das mit wenig mehr als einer Änderung des seriellen Gate-Widerstandes, um die Schaltgeschwindigkeit zu optimieren (Bild 5).

Bild 5: Gate-Ansteuerungskreis für eine SiC-Kaskode. United SiC

Super-Kaskoden schalten bis 10 kV

SiC-Kaskoden sind mit Nennwerten von 650 und 1200 V für Ströme bis etwa 85 A und mit Durchlasswiderständen von etwa 30 mΩ erhältlich. Super-Kaskoden lassen sich aus gängigen 1200-V-Kaskoden und JFETs aufbauen, um sehr hohe Spannungen (beispielsweise 2,5 bis 10 kV) über einen einzigen MOSFET zu schalten .

Durch die hohe Temperaturfähigkeit von SiC-Halbleitern, ihr schnelles Schalten und ihre geringen Verluste eignen sie sich ideal für industrielle Anwendungen, bei denen hohe Leistungen und Effizienz von entscheidender Bedeutung sind. Hochleistungsfähige Brückenschaltungen wie sie in Wechselrichtern, Audioverstärkern der Klasse D, beim Schweißen und für Motorantriebe zum Einsatz kommen, sind ideale Anwendungsbereiche. Vor allem aber profitieren brückenlose Totem-Pole-PFC-Schaltungen (Leistungsfaktorkorrektur, PFC) von diesen Vorteilen (Bild 6).

Auf der folgenden Seite erfahren Sie, warum Kaskoden mit SiC-JFETs praktisch unkaputtbar sind.

Bild 6: SiC-Bausteine in einer brückenlosen Totem-Pole-PFC-Stufe. United SiC

Verbesserte Leistungseigenschaften

Frühere Schaltungen mit Si-MOSFETs führten aufgrund langsamer Schaltgeschwindigkeit der Body-Dioden zu  Einschränkungen. Ein Critical-Conduction-Modus war erforderlich, um den Schaltstrom am Ende jeder Leitungsperiode auf Null zu bringen. Dieser Betriebszustand mit variabler Frequenz erzeugte jedoch hohe Stromspitzen und eine entsprechend große Störaussendung (EMI). Mit Kaskoden-SiC-JFETs lässt sich der Continuous-Conduction-Modus weiter nutzen, und das mit verbessertem Wirkungsgrad, kleineren Induktivitäten und vereinfachten Filter- wie auch EMI-Anforderungen bei fester Betriebsfrequenz.

Der hohe Wirkungsgrad in Wandler-Primärkreisen ist mit ähnlichen Verbesserungen bei der Gleichrichtung für die DC-Ausgänge erreichbar. SiC-Kaskoden lassen sich auch für die synchrone Gleichrichtung konfigurieren (Bild 7).

Beim Betrieb im dritten Quadranten fließt bei einigen Kaskoden über die Ausgangsinduktivität Strom von Source, um während der Forward- und Flywheel-Perioden von Eintakt- und Abwärtswandlern die Speicherdrossel zu laden. Der Stromfluss durch die Body-Diode bewirkt eine JFET-Gate-Source-Spannung von etwa +0,7 V, wodurch der JFET durchschaltet. Ist das Kaskoden-Gate auf High eingestellt, leitet der interne Si-MOSFET-Kanal – und der gesamte Durchlasswiderstand wird zum R_DS(on) der Kaskode, was entsprechend geringere Leitungsverluste bedeutet. Q1 in Bild 7 bildet den Flywheel-Gleichrichter und Q2 den Eintakt-Gleichrichter.

Bild 7: SiC-Kaskoden in synchroner Gleichrichtung. United SiC

Kaskoden-SiC-JFET schlichtweg unkaputtbar

In hochleistungsfähigen Anwendungen kommt es vor allem auf Robustheit bei transientenbedingten Kurzschlüssen und Überspannungen an. Ein Kaskoden-SiC-JFET weist in dieser Hinsicht ausgezeichnete Eigenschaften auf, wobei der Abschalteffekt den Sättigungsstrom durch seinen negativen Temperaturkoeffizienten begrenzt.

Bei Überspannungen leitet die SiC-JFET-Gate-Drain-Diode, was einen Stromfluss im integrierten Gate-Widerstand bewirkt, den JFET-Kanal einschaltet und damit die Überspannung begrenzt. Auch bietet die hohe Temperaturbeständigkeit von SiC-Halbleitern einen Sicherheitsspielraum bei hohen Lawinenenergieniveaus – selbst bei relativ kleinen Formfaktoren.

(jwa)