SiC-Leistungshalbleiter SiC-MOSFETs sind der neue Industriestandard

Autor / Redakteur: Wolfgang Knitterscheidt, Siegfried W. Best * / Gerd Kucera

Mit den neu angekündigten SiC-Leistungs-MOSFET, die hier skizziert werden, stehen jetzt Wide-Bandgap-MOSFET für erste Designs mit 700 bis 1200 V/80 A bzw. 1700 V/5 A zur Verfügung.

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Bild 1: Vergleich des RDS(ON) über die Temperatur von 1200-V-Typen für Ströme von 30, 35, 40 und 50 A.
Bild 1: Vergleich des RDS(ON) über die Temperatur von 1200-V-Typen für Ströme von 30, 35, 40 und 50 A.
(Quelle: Microsemi)

Die Vorteile der SiC-MOSFETs gegenüber Si-MOSFETs sind weitgehend bekannt und gehören heute zum Allgemeingut. Es sind im Wesentlichen der sehr niedrige Einschaltwiderstand RDS(on) über die Temperatur, damit die geringen Verluste im leitenden Zustand, außerdem die geringen Schaltverluste und die hohe Kurzschlussfähigkeit. Ein bedeutender Anbieter von SiC-Halbleitern ist Microsemi.

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Die Firma hat über die Jahre die SiC-Technologie stetig weiterentwickelt und kann z.B. SiC-MOSFETs mit weiterhin verbesserten Eigenschaften bei den wesentlichen Parametern anbieten, die werden im Folgenden näher betrachtet werden.

Die Entwicklung hat zu neuen Typen für Spannungen von 700, 1200 und jetzt auch 1700 V geführt. Der Widerstand eines MOSFETs im leitenden Zustand (Durchlass-Widerstand) ist der Parameter, dem die höchste Aufmerksam gehört. Bild 1 zeigt den RDS(on) über die Temperatur von zwei aktuellen Bauteiltypen von Mircosemi verglichen mit zwei Produkten des Mitbewerbs.

Der bei beiden 1200-V-Bauteilen geringere RDS(on) über die Temperatur bietet im Betrieb eine weit höhere oberste Grenze für Dauerströme. Der gezeigte Verlauf gilt für die Gehäuseformen TO-247, D3 und SOT 227. Erzielt wird der niedrigere RDS(on) mit der Microsemi-eigenen und patentierten Technologie. Sie ermöglicht eine Sperrschichtstruktur mit einer geringen VF bei vergleichbarer Chipgröße (durch größeren Schottkybereich und vergrabene P-Wells). Eine doppelte Metallisierung ermöglicht die Nutzung des gesamten aktiven Bereichs für den MOSFET-Kanal, damit wird der spezifizierte RDS(on) (RDS-sp) geringer (RDS(on) x Area).

Niedriger Gate-Widerstand und hohe Verstärkung

Der in Bild 2 gezeigte sehr geringe Gate-Widerstand der APT-Typen im Bereich zwischen 1 und 2 Ω minimiert die Schaltverluste und lässt zudem höhere Schaltfrequenzen zu. Selbst zusammen mit einem externen Gate-Widerstand geringer Größe ergibt sich eine hohe Sicherheit gegen Schwingneigung, das bedeutet viel Freiheit bei der Entwicklung von Leistungsschaltkreisen bezüglich der Größe des externen Gate-Widerstands. Microsemis Wert für den Intrisic Rg ist nahe 1 Ω, im Gegensatz zum Mitbewerb, der Intrinsic Rg-Werte von 5 bis 6 Ω oder gar höher aufweist. Der kleine Gate-Widerstand bei Microsemi wird durch einen Hochtemperatur-Oxidationsprozess erzielt.

Bild 3 demonstriert wie eine hohe Verstärkung (gm) die Zeit ton wesentlich verkürzt. Die Verläufe von VG, ID und VD in der Grafik wurden bei dem Typ von Microsemi mit einem zusätzlichen externen Widerstand von 7 Ω aufgenommen.

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