SiC-MOSFET Tipps für den Umstieg vom IGBT zum SiC-MOSFET

Autor / Redakteur: Vladimir Scarpa * / Gerd Kucera

Damit die Vorteile von SiC-Devices sicher zum Tragen kommen, sind möglicherweise Änderungen am System-Design notwendig. Tipps und technische Hinweise zeigen beispielhaft die Herausforderungen.

Firmen zum Thema

Bild 1: Zeitleiste der wichtigen Ereignisse auf dem Markt für SiC-Bauelemente.
Bild 1: Zeitleiste der wichtigen Ereignisse auf dem Markt für SiC-Bauelemente.
(Bild: ROHM)

Die Eigenschaften und Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) wurden mittlerweile umfassend demonstriert. SiC hat den Beweis erbracht, dass es das geeignete Material für Leistungsschalter im Hochspannungs- und Hochfrequenzbereich ist. Wie Bild 1 zeigt, wurden in den letzten Jahren bereits zahlreiche Bauelemente auf SiC-Basis vorgestellt. Mittlerweile sind einige Produkte auch schon mit bedeutenden Verbesserungen in der zweiten oder gar dritten Generation im Markt eingeführt worden.

Zunächst, d.h. in den frühen 2000er Jahren, wurden mit Schottky-Barrier-Dioden (SBD) die ersten SiC-Bausteine implementiert, die in großem Umfang in den Leistungsfaktor-Korrekturstufen (PFC) einphasiger Schaltnetzteile (SMPS) eingesetzt wurden. Mit ihrer sehr geringen Sperrverzögerungsladung reduzierten sie die dynamischen Verluste in der Diode selbst und im kommutierenden Schalter erheblich. Seit einiger Zeit kommen SiC-SBDs auch in weiteren Anwendungen wie etwa PV-Wechselrichtern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen zum Einsatz.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Was die aktiven Schalter betrifft, kamen im Jahr 2010 die ersten selbstsperrenden SiC-Schaltbausteine auf Basis einer MOSFET-Struktur auf den Markt. Diese Bauelemente vereinfachten die Gate-Treiber-Schaltung und ermöglichten eine reibungslosere Umstellung von standardmäßigen Silizium-IGBTs und Superjunction-MOSFETs. Als Konsequenz hieraus fassten mehrere Elektronikunternehmen, meistens aus industriellen Anwendungsgebieten, die SiC-Schalter als kurzfristiges Ziel ins Auge und starteten Entwicklungsprojekte mit SiC-MOSFETs. Nach gründlichen Qualifikations-Verfahren auf der Systemebene gingen aus einem Teil dieser Projekte kürzlich reale Produkte hervor, die dann in den praktischen Einsatz gelangten.

Allerdings ist die Umstellung auf SiC-MOSFETs durch einige Besonderheiten geprägt. Damit die Vorteile dieser Bauelemente maximal und sicher zum Tragen kommen können, sind möglicherweise bestimmte Änderungen am Systemdesign notwendig. In diesem Artikel geht es um einige der Herausforderungen, die sich vor und während der Entwicklungsphase ergeben. Es werden technische Hinweise gegeben und in einigen Fällen wird anhand praktischer Beispiele gezeigt, wie sich diese Anforderungen lösen lassen.

Zu den wichtigsten Aspekten für Entwicklungsingenieure gehört die Zuverlässigkeit von SiC-Bauelementen. Dies ist durchaus verständlich, denn mit SiC konnte man bisher noch nicht dieselben Erfahrungen sammeln wie mit entsprechenden IGBTs und MOSFETs in Silizium. Wie der Tabelle (Bild 7) zu entnehmen ist, basieren die Qualifikationsprozesse für Silizium- und SiC-Bauelemente auf gleichen Prüfbedingungen.

ROHM führt verschiedene weitere Tests durch, um die Qualität und die Lebensdauer ihrer Produkte zu gewährleisten. Ergebnisse aus diesen Tests können nach Kundenanfrage direkt mitgeteilt werden. Zusätzlich sind weitere Tests, auch außerhalb der Normen, nach Absprache von ROHM Semiconductor durchführbar.

Die Lebensdauer der Gate-Oxid-Schicht

Wie Bild 1 zeigt, führte ROHM unlängst die dritte Generation seiner SiC-MOSFETs ein. Es handelt sich dabei um die ersten Bausteine mit Trench-Gate im Unterschied zu den Planar-Gate-Versionen der vorherigen Generationen. Bei dieser neuen Struktur fällt der Widerstand des parasitären JFET innerhalb der Struktur praktisch weg. Die Folge ist eine Halbierung des (auf die Fläche umgerechneten) spezifischen Einschaltwiderstands [2].

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Bild 2 verdeutlicht die von ROHM verwendete Trench-Struktur (auch als U-Struktur bezeichnet). Wie man sieht, ist das elektrische Feld in der Umgebung der Grenzschicht zwischen SiC und SiO2 im gesperrten Zustand deutlich schwächer als bei der konventionellen Struktur. Dies bürgt für eine lange Gate-Oxid-Lebensdauer auch bei Betriebsspannungen, die in der Nähe der Nennspannung liegen.

Um den SiC-MOSFET einzuschalten, wird eine Spannung zwischen Gate und Source angelegt. Es ist möglich, die Lebensdauer des Gateoxides durch einen Beschleunigungstest einzuschätzen, mit entsprechend hohen Spannungen am Gate. Aus einer bestimmten Anzahl von Messpunkten kann die Lebensdauer bis auf typische Gate-Spannungswerte extrapoliert werden (siehe Bild 3). Für die dritte Generation der SiC-MOSFETs von ROHM ist die eingeschätzte Lebensdauer viel länger als die typischen Anforderungen der industriellen Anwendungen.

Die Beständigkeit gegen weitere Ereignisse wie Kurzschlüsse und Avalanche-Durchbrüche wurde in Labortests von ROHM nachgewiesen. Die Definition von Parametern wie Kurzschlussfestigkeit (Short-Circuit Withstand Time – SCWT) und Avalanche-Energie sind in Vorbereitung.

In der Zwischenzeit sollten Kurzschluss- und Avalanche-Vorfälle in Systemebene vermieden werden. Solche Lösungen werden heutzutage bei dem Einsatz von IGBTs bereits berücksichtigt, da diese Bauteile keine Avalanche-Beständigkeit garantieren können. Außerdem, haben neue Ultrafast-Silizium-IGBTs keine oder sehr kleine Kurzschlussfestigkeit. Trotzdem sind sie häufig in industriellen Anwendungen anzutreffen.

Beständigkeit gegen kosmische Strahlung

Das Phänomen der kosmischen Strahlung ist in der Literatur umfassend beschrieben [3]. Es kann ein kritischer Aspekt insbesondere für solche Anwendungen sein, deren Betriebsspannung sehr nah an der Nennspannung des Schalters liegt. Dies trifft beispielsweise für PV-Wechselrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgungen zu.

Durch kosmische Strahlung verursachte Ausfälle treten zufällig während der Lebensdauer eines Halbleiterbausteins auf, wobei sich die Ausfallrate (Failure in Time – FIT) eines Bausteins mit beschleunigten Tests prognostizieren lässt. Wie die Testergebnisse in Bild 4 darstellen, nimmt der FIT-Wert in der Regel exponentiell mit der Sperrspannung zu. In der Abbildung werden Bausteine auf Siliziumbasis (IGBTs und MOSFETs) mit SiC-MOSFETs von ROHM Semiconductor verglichen, wobei alle Bauelemente den gleichen Nennstrom und die gleiche Nennspannung haben. Wie man sieht, ist der FIT-Wert der SiC-MOSFETs um bis zu drei Größenordnungen geringer als der entsprechender Silizium-Bauelemente.

Der Grund für diese signifikante Verbesserung liegt in einigen Eigenschaften der SiC-MOSFETs, die für ihre Beständigkeit gegen kosmische Strahlung sorgen. Unter anderem ist die bei gleicher Stromtragfähigkeit kleinere Chipfläche anzuführen, sowie der größere Abstand der elektrischen Feldstärke im gesperrten Zustand zur Durchbruchfeldstärke des Werkstoffs.

Preis-Leistung-Verhältnis von Silizium zu Siliziumkarbid

Bekanntermaßen sind die Produktionskosten von Siliziumkarbid-Wafern höher als die von Silizium-Wafern. Neben anderen Faktoren liegt dies an der Energie, die zum Züchten der Kristalle benötigt wird. Es ist allerdings zu erwarten, dass dieser Kostenunterschied in den nächsten Jahren spürbar geringer wird, wofür unter anderem folgende Faktoren verantwortlich sind: Erhöhung der Wafergröße, Verringerung der Defekte auf den Wafern sowie der Prozesse und nicht zuletzt Skaleneffekte infolge der zunehmenden Verbreitung von SiC-Bauelementen. Ungeachtet des höheren Preises der Bauelemente lassen sich bereits heute SiC-basierte Systeme herstellen, die wirtschaftliche Vorteile bieten. Im folgenden Abschnitt werden exemplarisch zwei Systeme beschrieben, die durch die Umstellung auf SiC-Schalter kostengünstiger werden.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Hilfsstromversorgungen und Industrie-Stromversorgungen

Industrielle Systeme benötigen eine Hilfsstromversorgung für Peripherie-Bauteile wie etwa Mikrocontroller, Gate-Treiber, Lüfter, LCDs und anderes mehr. Für diesen Zweck kommen häufig Wandler mit der Flyback-Topologie zum Einsatz. In Dreiphasen-Systemen, in denen die Eingangsspannung von Phase zu Phase bis zu 480 VAC betragen kann, sind in der Regel Bauelemente mit Sperrspannungen größer als 1000 V erforderlich.

Bevor es SiC-Schalter gab, wurden Hilfsstromversorgungen mit Silizium-MOSFETs und BJTs mit Sperrspannungen bis 1500 V implementiert, die trotz großer Chipfläche einen hohen Einschaltwiderstand aufwiesen. Dies führte zu großen statischen und dynamischen Verlusten, was nahezu immer die Verwendung von Kühlkörpern erforderte und die Systemkosten ansteigen ließ.

SiC-MOSFETs mit 1700-V-Sperrspannung gibt es dagegen mit Einschaltwiderständen von nur 1 Ω, und wegen der kleinen Chipfläche werden auch die dynamischen Verluste spürbar reduziert. Folglich sind hohe Schaltfrequenzen von bis zu 120 kHz möglich, was nebenbei die Verwendung kleinerer Wandler gestattet, ohne dass irgendwelche Kühlkörper benötigt werden. Dies wird in [4] gezeigt, wo auch der quasi-resonante Controller für Sperrwandler von ROHM vorgestellt wird.

Schaltnetzteile werden in industriellen Anwendungen in großem Umfang zur Versorgung von Gleichstrom-Verbrauchern wie etwa Niederspannungs-Batterien verwendet. Die Systeme bestehen meist aus zwei Stufen, nämlich einem Gleichrichter und einem anschließenden isolierten Gleichspannungswandler.

In Bild 5 sind zwei Industrie-Stromversorgungen nebeneinander zu sehen. Das System links im Bild ist mit Silizium-IGBTs bestückt und arbeitet mit Schaltfrequenzen von 20 kHz (AC-DC) beziehungsweise 40 kHz (DC-DC). Bei einer Nennleistung von 20 kW erreicht diese Stromversorgung einen Wirkungsgrad von 83%. Im Vergleich dazu basiert das neue Stromversorgungssystem rechts in Bild 5 auf SiC-MOSFETs, deren geringere dynamische Verluste ein Anheben der Schaltfrequenz ermöglichten. Die AC-DC-Stufe arbeitet jetzt mit 40 kHz und die DC-DC-Stufe mit 150 kHz. Aufgrund der hierdurch möglichen Verkleinerung der magnetischen Bauelemente ist das Volumen dieser Version um 40% geringer als das des ursprünglichen Systems. Die Systemkosten blieben dabei gleich, während die Nennleistung um 30% auf nunmehr 26 kW angehoben werden konnte.

Qualität und Zuverlässigkeit der Halbleiter

Der Umstieg auf SiC-Schalter erfolgt mit der Intention hoher Schaltfrequenzen und Schaltgeschwindigkeiten. Diese wiederum resultieren in sehr geringen dynamischen Verlusten, können aber gewisse Herausforderungen mit sich bringen, was die Erfüllung der Vorgaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) angeht.

Die für netzgekoppelte Systeme geltende Norm CISPR11 (besonders in der Version B) setzt Grenzen für elektromagnetische Störgrößen im Frequenzbereich ab 150 kHz. Bild 6 zeigt den Frequenzbereich und die Störaussendungs-Grenzwerte (in dBµV).

Als Beispiel soll ein PV-Wechselrichter betrachtet werden, der bei 20 kHz arbeitet, eine typische Frequenz von Silizium-IGBTs mit über 600 V Sperrspannung. Die vom Wechselrichter kommende rechteckförmige Spannung muss gefiltert werden, bevor sie das Stromnetz erreicht. Mithilfe der Fourier-Transformation lässt sich die Rechteckwelle als eine Reihe von Sinuswellen beschreiben, deren Frequenzen die Grundschwingung (20 kHz) und die ungeradzahligen Harmonischen (60 kHz, 100 kHz usw.) sind. Man kann jetzt zeigen, dass die erste Frequenz, die in den regulierten Bereich fällt, die neunte Harmonische ist, die um nahezu 20 dBµV natürlich gedämpft wird. Dieser in [5] anschaulich dargestellte Sachverhalt ist in Bild 6 wiedergegeben.

Hebt man die Frequenz nun auf beispielsweise 100 kHz an, fällt bereits die dritte Harmonische in den regulierten Bereich. Dementsprechend erfolgt eine um etwa 18 dBµv geringere natürliche Dämpfung, was durch einen passiven Filter kompensiert werden muss.

Um eine Erhöhung der Systemkosten durch den zusätzlichen Filteraufwand zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Schaltfrequenz knapp unter 50 kHz anzusetzen (mit dieser Maßnahme fällt dann die dritte Harmonische nicht mehr in den regulierten Bereich) oder etwas kleiner als 150 kHz zu wählen (Grundschwingung fällt noch nicht in den regulierten Bereich). Wird eine höhere Schaltfrequenz gewünscht, liegt der nächste interessante Wert laut Literaturhinweis [5] bei über 400 kHz, wo der passive Filter erneut kleiner wird. Parasitäre Elemente wie etwa Streuinduktivitäten, Streukapazitäten und Streuwiderstände aus der Umgebung können den Betrieb bei solchen Frequenzen stören.

Ihre Ursache können beispielsweise Gehäuse, Isolationsfolien, Serienwiderstände von Kondensatoren, das Leiterplatten-Design usw. sein. Zur Vermeidung diesbezüglicher Problem könnten Resonanz-Topologien eine interessante Option sein. Schaltungen wie etwa Serienresonanz-LLC-Wandler [6] vermeiden harte Schaltvorgänge und reduzieren dadurch die Abstrahlung elektromagnetischer Störgrößen. Außerdem lässt sich die Schaltgeschwindigkeit kontrollieren. Der Spannungsverlauf ist dabei eher trapezförmig und die natürliche Dämpfung der hochfrequenten Harmonischen verbessert sich.

Literaturhinweise:

[1] „Semikron Application Manual“, 2nd edition, page 117. Available online https://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-application-manual-power-semiconductors-english-en-2015

[2] “ROHM Semiconductor shows 3rd Generation SiC MOSFETs with Trench Gate Structure”. Available online http://www.powerguru.org/rohm-semiconductor-shows-3rd-generation-sic-mosfets-with-trench-gate-structure/

[3] Source : H. Asai, I Nashiyama, K Sugimoto, K Shiba, Y Sakaide, Y Ishimaru, Y Okazaki ,K Noguchi, T Morimura “Tolerance Against Terrestrial Neutron-Induced Single-Event Burnout in SiC MOSFETs” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.61, 2014.

[4] Application Note “BD768xFJ-LB series Quasi-Resonant converter Technical Design”. Available online.

[5] A. C. Schittler, D. Pappis, P. Zacharias: “EMI filter design for high switching speed and frequency grid-connected inverters”, EPE 2016.

[6] Y. Nakakohara, et al “Three Phase LLC Series Resonant DC/DC Converter Using SiC MOSFETs to Realize High Voltage and High Frequency Operation”, IEEE Transactions On Industrial Electronics.


* Dr. Vladimir Scarpa ist Application Engineer Power bei ROHM Semicondcutor in Willich.

(ID:43745237)