SiC-MOSFETs und -Module Wegbereiter für neue Applikationen in der Leistungselektronik

Autor / Redakteur: Siegfried W. Best * / Gerd Kucera

Entwickler von leistungselektronischen Baugruppen können jetzt auf SiC-Power-MOSFET und -Module zugreifen, die aus Systemsicht preislich fast mit reinen Silizium-Typen konkurrenzfähig sind.

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Bild 1: Vergleich des normiertem RDS(on) über die Temperatur von 700-V- und 1200-V-Microsemi-Typen mit Wettbewerbstypen und einem Si-SJ-MOSFET
Bild 1: Vergleich des normiertem RDS(on) über die Temperatur von 700-V- und 1200-V-Microsemi-Typen mit Wettbewerbstypen und einem Si-SJ-MOSFET
(Bild: Microsemi/Eurocomp)

Als unipolare Halbleiter haben SiC-Transistoren eine wesentlich geringere Gate-Kapazität sowie Gate-Ladung und damit geringste Schaltverluste, geringe Abhängigkeit des sehr niedrigen Einschaltwiderstandes RDS(on) von der Temperatur, damit geringer Spannungsabfall und geringe Verluste im leitenden Zustand.

Bild 1 zeigt den Vergleich des normierten RDS(on) über die Temperatur von 700-V- und 1200-V-Typen von Microsemi für Ströme von 35 und 70 A gegenüber Wettbewerbstypen und im Vergleich zu einem Si-SJ-MOSFET. Bild 2 verdeutlicht in der Gegenüberstellung die Schaltverluste der verschiedenen Leistungshalbleitertechnologien.

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Bild 3 unterscheidet zwischen den Schaltverlusten und Verlusten im leitenden Zustand der verschiedenen Leistungshalbleitertechnologien.

Bei SiC gibt es nahezu keine Umkehr-Erholungs-Ladung Qrr und damit verringerte Schaltverluste und verbessertes Schaltverhalten, was ebenfalls die Effizienz steigert. Das Schaltverhalten ist zudem von der Temperatur unabhängig, das führt zu stabilem Verhalten bei hohen Temperaturen und zu ebenfalls verringerten Verlusten. Die FOM (Figure of Merit: RDS(on)@temp x Eoff@temp) unterscheidet sich bei den verschiedenen Herstellern – je niedriger sie ist, umso besser.

Die thermische Leitfähigkeit von SiC ist zehnmal höher, das führt zu höherer Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit. Durch positiven TK schließlich ergibt sich eine Selbstregulierung, was wiederum eine einfache Parallelschaltung ermöglicht. Außerdem haben Wide-Bandgap-Halbleiter bis zu 100fach geringere Leckströme verglichen mit Si-MOSFETs.

Die wesentlichen Parameter von SiC Halbleitern

SiC-MOSFETs eignen sich generell für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Microsemi spezifiziert seine neuen SiC-MOSFETs bei Sperrschicht- und Betriebstemperaturen von 175 °C bis 200 °C (Tj und Toper). Bei diesen erhöhten Temperaturen sind folgende Parameter zu beachten: SiC-MOSFETs sind normally-off bei diesen Temperaturen, d.h. Vth sollte einen positiven Wert haben, am besten mehr als 1 V.

Die SiC-MOSFETs von Microsemi weisen einen Wert von 3 V auf. Der Strom Idss (Drain-Source-Leckstrom) muss bei maximaler Junction-Temperatur Tj gering sein. Die Spannung BVdss zeigt einen Anstieg bei maximaler Temperatur Tj. Und der Durchlasswiderstand RDS(on) darf einen vertretbaren (nicht zu starken) Anstieg mit zunehmender Temperatur zeigen.

SiC-MOSFETs zielen auf Applikationen mit hohen Schaltfrequenzen (100 kHz oder höher). Dabei bietet ein externer Gate-Widerstand von geringem oder hohem Wert Design-Freiheit für den Entwickler. Microsemis Wert für den Intrisic Rg ist nahe 1 Ω, im Gegensatz zu anderen Produkten auf dem Markt mit Intrinsic-Rg-Werten von 5 bis 6 Ω oder gar höher.

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