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.

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 Qrr, 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.

Eckdaten

Die Kaskodenanordnung aus Si-MOSFET und SiC-JFET vereint die physikalischen Vorzüge beider Halbleiterwerkstoffe und erreicht mit einem RDS(on) von 30 mΩ Schaltspannungen bis zu 1200 V bei 85 A Stromfluss. Als Superkaskode sind Schaltspannungen bis 10 kV bei hoher Effizienz realisierbar.

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.

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