Power-Module SiC-Modul mit neuer MOSFET-Struktur für erhöhte Leistung

Autor / Redakteur: Jochen Hüskens * / Gerd Kucera

Durch umfassende Nutzung der spezifischen Eigenschaften von SiC-MOSFETs und ohne Verwendung von Freilaufdioden ist ROHM die Entwicklung eines SiC-Power-Moduls für 1200 V und 180 A gelungen.

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Bild 1: Das aus SiC-MOSFETs aufgebaute Halbbrücken-Power-Modul kann im Vergleich zu Si-IGBT-Modulen die Schaltverluste um bis zu 85% senken.
Bild 1: Das aus SiC-MOSFETs aufgebaute Halbbrücken-Power-Modul kann im Vergleich zu Si-IGBT-Modulen die Schaltverluste um bis zu 85% senken.
(Bild: ROHM)

Die kommerzielle Produktion von SiC-Bausteinen, und damit auch der Einsatz im Vergleich zu Si-basierten Elementen, erfährt aufgrund zunehmender Wafer-Größen und kosteneffizienterer Lösungen eine wachsende Akzeptanz in den verschiedenen Märkten. Trotz hervorragender technischer Eigenschaften stellt die industrielle Anwendung mit hoher Stromversorgung von 100 A und mehr bislang jedoch noch immer eine Herausforderung dar, denn der Einsatzbereich von SiC-basierten Modulen war wegen des unzureichenden Nennstroms bisher begrenzt.

Eine Vergrößerung der Verpackung bzw. der Chips erhöht zwar die Stromfestigkeit, aber damit auch die Wahrscheinlichkeit von Kristalldefekten und verringert gleichzeitig die Produktionsausbeute - nicht unbedingt vorteilhaft für die fortschreitende Miniaturisierung der Designs und kommerzielle Nutzung der Technologie. Die Antwort muss also in der Chipstruktur selbst gefunden werden.

Nennstrom konnte von 120 A auf 180 A angehoben werden

ROHM Semiconductor ist durch umfassende Nutzung der spezifischen Eigenschaften von SiC-MOSFETs und ohne Einsatz von Freilaufdioden die Entwicklung eines SiC-Power-Moduls für hohe Stromstärken von 1200 V und 180 A gelungen. Dies konnte auf Basis des bereits 2012 vorgestellten SiC-Moduls für 1200 V und 120 A mit den gleichen kompakten Abmessungen realisiert werden. Ein Anheben des Nennstroms erfordert normalerweise die Integration von mehr MOSFETs und ähnlichen Maßnahmen. Dies verlangt allerdings nach einer Gleichrichtung mit Dioden und macht es extrem schwierig, eine kompakte Größe beizubehalten.

Das neue Power-Modul basiert auf der SiC-Technologie der zweiten Generation, bei der die Verringerung des Leitvermögens der Body-Diode minimiert wird, sodass auf eine Diodengleichrichtung verzichtet werden kann. Hierdurch kann unter Beibehaltung des Formats die Befestigungsfläche vergrößert werden, um die Stromtragfähigkeit zu verbessern. Möglich wurde dies durch zwei Faktoren: Erstens konnte auf die antiparallel geschalteten Schottky-Dioden verzichtet werden, da für den umgekehrten Stromfluss MOSFETs zum Einsatz kommen. Zweitens teilen mehrere parallel geschaltete MOSFET-Chips den Strom eigenständig untereinander auf.

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Bisher ist der relativ hohe Spannungsabfall an SiC-PN-Dioden aufgrund ihrer Materialeigenschaften mit breiter Bandlücke, was während der Kommutierung zu hohen Leitungsverlusten führt, problematisch. Nach dem Stromfluss in Durchlassrichtung kommt es zu einer Defektausbreitung, als deren Folge der On-Widerstand und der Leckstrom zunehmen. Ist der Einsatz von IGBTs im dritten Quadranten unmöglich, dann wird oftmals das Einschaltsignal in Wechselrichtern oder Wandlern nach Ablauf der Totzeit an die FETs gelegt. Bei Leistungselektronik auf IGBT-Basis bleibt dieses Signal daher wirkungslos. Anders bei MOSFETs: Die relativ hohe Flussspannung der SiC-Body-Diode lässt sich verringern, indem für die Rückwärtsströme die SiC-MOSFETs eingeschaltet werden. Sie lassen im On-Zustand Ströme in beiden Richtungen mit dem gleichen Ron passieren (Bild 2).

Universelle Si-IGBTs können keinen Strom in umgekehrter Richtung leiten. Im Gegensatz dazu ist die Body-Diode im SiC-MOSFET von ROHM immer in Sperrrichtung leitend. Abhängig vom Eingangssignal am Gate kann der MOSFET außerdem in beiden Richtungen betrieben werden, wodurch der On-Widerstand geringer ist als mit der Diode allein. Diese Rückwärtsleitungseigenschaften ermöglichen eine hocheffiziente Synchrongleichrichtung im Bereich von 1000 V und mehr. In diesem Spannungsbereich sind Gleichrichterdioden nicht mehr einsetzbar.

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