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Ein Plädoyer für den Einsatz von SiC-Devices

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Die Einschränkungen bei der Einhaltung von EMV-Standards und handhabbarer dV/dt-Werte zwingt Entwickler häufig dazu, die Schaltgeschwindigkeiten mit Gate-Widerständen zu verlangsamen. So sind dV/dt-Werte von 100 V/ns mit SiC und GaN leicht möglich, aber mit i=C.dV/dt entsteht eine 10A-Stromspitze in nur 100 pF Streukapazität. In ähnlicher Weise erzeugen hohe di/dt-Werte Spannungsspitzen über der Anschlussinduktivität.

SiC-Bauteile sind für die Nennspannungen 650 und 1200 V erhältlich. Die Ströme reichen bis etwa 85 A; der Durchlasswiderstand beträgt in etwa 30 mΩ. Kaskoden- und Super-Kaskoden-Bausteine mit in Serie geschalteten JFETs und mehr als 3,5 kV Nennspannung stehen ebenfalls zur Verfügung.

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Der aktuelle Stand zu Siliziumkarbid-Bauteilen

Einzelne Bausteine mit bis zu 1700 V und etwa 70 A sowie 45 mΩ sind auch erhältlich, jedoch als MOSFETs anstelle von JFET-Kaskoden. Dabei ist die interne Body-Diode im Gegensatz zu Kaskoden relativ langsam, was mit einer teuren schnellen externen Diode umgangen werden muss – sofern es die Anwendung erfordert, wie es bei Brückenschaltungen der Fall ist.

GaN-Bauelemente erreichen maximal 650 V mit etwa 60 A und 25 mΩ, was vielen SiC-Bauteilen entspricht, aber theoretisch höhere Geschwindigkeiten bietet. Interessanterweise sind verfügbare GaN-Bauelemente mit einer Nennspannung von 100 V nicht besser als herkömmliche MOSFETs, wenn es um den Durchlasswiderstand geht. Nur ihr Geschwindigkeitsvorteil, würde den erheblichen Kostenmehraufwand gegenüber Standard-MOSFETs rechtfertigen.

Für die Zukunft weist der Marktforscher IHS eine deutliche Zunahme beim Design-in von WBG-Halbleitern aus – und das, obwohl auch die Zahl der IGBTs und herkömmlichen MOSFETs in einem insgesamt wachsenden Markt zunimmt. Interessant ist, wie die verschiedenen WBG-Halbleiter bestimmte Marktsegmente dominieren könnten.

Anwendungen und Robustheit der WBG-Bauteile

Bild 3 beschreibt die mögliche zukünftige Aufteilung in Stromaufnahme und Betriebsfrequenz bei Leistungselektronikbausteinen, wobei der Einsatz von GaN wiederum von möglichen Kostenreduzierungen abhängt.

Die Hochtemperaturfähigkeit von WBG-Halbleitern mit hoher Schaltgeschwindigkeit und geringen Verlusten macht sie geeignet für industrielle Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen. Brückenschaltungen sind ein gutes Beispiel, da hier viel Leistung für Inverter, Schweißen, Audioverstärker der Klasse D, Motorantriebe etc. benötigt wird. Eine besondere Anwendung, die von WBG-Halbleitern profitiert, ist die brückenlose Totem-Pole-Leistungskorrektur (Bild 4). Frühere Schaltkreise auf Siliziumbasis waren hier durch langsame Body-Dioden in den herkömmlichen MOSFETs eingeschränkt. Dies führte zu einem Critical-Conduction-Betrieb, der wiederum hohe Spitzenströme und hohe elektromagnetische Störstrahlungen verursacht. Mit Kaskode-SiC-JFETs ist ein Dauereinsatz möglich, mit mehr Wirkungsgrad und reduzierter Induktivität sowie geringerer EMI. Eine Beispielschaltung mit 1,5 kW bei 230 VAC zeigte dabei beeindruckende 99,4% Wirkungsgrad.

In Anwendungen mit hoher Leistungsaufnahme kommt es auf hohe Robustheit bei vorübergehenden Kurzschlüssen und Überspannungen an. Ein Kaskoden-SiC-JFET weist in dieser Hinsicht ausgezeichnete Eigenschaften auf. Hohe Ströme verursachen den Effekt einer Kanalabschnürung, der den Strom auf ein Sättigungsniveau begrenzt. Zusätzlich verringert der durch den Strom erzeugte Wärmeeffekt die Leitfähigkeit des Kanals, was eine selbstbegrenzende Eigenschaft ergibt. Die hohe erlaubte Sperrschichttemperatur hilft dabei.

Bei Überspannungen leitet die Gate-Drain-Diode des SiC-JFET, was einen Stromfluss im Gate-Ansteuerungskreis bewirkt und den JFET-Kanal einschaltet, um die Überspannung abzubauen. Die inhärente hohe Temperaturleistung des SiC-Bausteins sorgt hier für ausreichende Sicherheit, wenn ein Lawinendurchbruch selbst bei relativ kleinen Baugrößen auftritt.

Hersteller wie UnitedSiC haben die Robustheit ihres SiC-Angebots bei Bauteilen mit 1000 Betriebsstunden, die bei 150 °C in einen Lawinendurchbruch übergehen, nachgewiesen. Als zusätzliche Vertrauensmaßnahme werden alle Bauteile bei der Endprüfung einem 100%igen Lawinendurchbruch ausgesetzt.

* Zhongda Li ist NPI Manager bei UnitedSiC

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