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

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 (UGS_MOSFET) wird der MOSFET leitend (EIN), wodurch das SiC-JFET-Gate kurzgeschlossen und der JFET ebenfalls leitend wird. Mit UGS_MOSFET von 0 V wird die Drain-Source-Strecke des MOSFETs hochohmig (AUS) und der Spannungsabfall über dieser Strecke steigt. Überschreitet UDS_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 UDS_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 CDS_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 RDS(on) von einigen Milliohm sein. Den Gesamtdurchlasswiderstand der Kaskode dominiert dann der JFET.

Bild 3: United SiC

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 Qrr-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.

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 Ciss (small signal input capacitance) und eine Drain-Gate-Miller-Kapazität Crss (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 Coss (small signal output capacitance) treten bei Schaltvorgängen Energieverluste (Eoss) 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.

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