Was ist der beste MOSFET für meine Anwendung?

Obwohl Siliziumkarbid-basierte MOSFETs (SiC) ermöglichen wesentlich höhere Wirkungsgrade im Vergleich zu siliziumbasierten Versionen (Si), ist es nicht immer einfach zu entscheiden, welche Technologie die beste Option ist. In diesem Artikel wollen wir die zu berücksichtigenden Kriterien erläutern. Für Spannungen über 1000 V waren früher IGBTs die Lösung der Wahl. Aber die „Supereigenschaften“ von SiC ermöglichen schnell schaltende unipolare Bauelemente, die anstelle von bipolaren IGBTs verwendet werden können. Sie ermöglichen Anwendungen, die bisher nur bei niedrigeren Spannungen (<600V) realisierbar waren, nun auch bei höheren Spannungen zu realisieren. Im Vergleich zu bipolaren IGBTs erreichen diese SiC-basierten MOSFETs eine Reduzierung der Verlustleistung um bis zu 80 Prozent.

Infineon hat die ohnehin schon vorteilhaften Eigenschaften von SiC weiter optimiert – mit CoolSiC Trench-Technologieist es möglich, MOSFETs mit Schwellenspannungen (V_th) besonders hohe und niedrige Miller-Kapazität. Dies macht sie im Vergleich zu anderen SiC-MOSFETs widerstandsfähiger gegen unerwünschte parasitäre Triggereffekte. Neben Modellen von 1200 und 1700 V, hat Infineon seinen Katalog um die Aufnahme erweitert 650-V-CoolSiC-MOSFETs, das auch in Anwendungen mit 230-V-Versorgung eingesetzt werden kann und aufgrund seiner verbesserten Systemeffizienz und Robustheit sowie seiner geringeren Kosten in Anwendungen wie Telekommunikation, Servern, Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Batteriepacks eingesetzt werden kann. Fällt die Wahl generell zwischen den bewährten Si-basierten MOSFETs und den neueren SiC-basierten MOSFETs, sind mehrere Kriterien zu beachten.

Leistungsdichte und Effizienz der Anwendung

Im Vergleich zu Silizium ist der R_DSohn Siliziumkarbid ist im Betriebstemperaturbereich weniger anfällig für Flüchtigkeit. Mit einem SiC-basierten MOSFET, dem R_DSohn bewegt sich zwischen 1,13 und 25 °C nur um den Faktor 100, während ein typischer Si-basierter MOSFET, wie z coolMOS^TM C7 von Infineon ändert sie sich um den Faktor 1,67. Dies bedeutet, dass die Betriebstemperatur viel weniger Einfluss auf die Verlustleistung hat und daher viel höher sein kann. Folglich eignen sich SiC-basierte MOSFETs besonders gut für Hochtemperaturanwendungen oder können mit einfacheren Kühllösungen den gleichen Wirkungsgrad erreichen.

MOSFET-Treiber

Beim Umstieg von Silizium auf Siliziumkarbid stellt sich auch die Frage nach den geeignetsten Treibern. Wenn Si-basierte MOSFET-Treiber eine Gate-Spannung von bis zu 15 V erzeugen, können sie in der Regel noch verwendet werden. Eine Gate-Ansteuerspannung von bis zu 18 V ermöglicht jedoch eine deutliche Reduzierung des Widerstands R_DSohn (bis zu 18 Prozent bei 60 °C), ein Reglerwechsel lohnt sich also trotzdem.

Es wird auch empfohlen, negative Spannungen am Gate zu vermeiden, da sie eine Variation von V verursachen können_{GS (th)}, sodass R_DSohn erhöhen sich bei längerem Betrieb. Der Spannungsabfall über der Source-Induktivität in der Gate-Treiberschleife führt zu einem hohen di/dt, das einen V-Pegel verursachen kann_{GS (aus)} Negativ. Eine noch größere Herausforderung stellen sehr hohe dv/dts dar, eine Folge der Drain-Kapazität des Gates des zweiten Schalters in einer Halbbrückenkonfiguration (Hälfte-Brücke). Dieses Problem kann mit einem niedrigeren dv/dt vermieden werden, jedoch auf Kosten einer reduzierten Effizienz.

Die beste Möglichkeit, die negative Gate-Spannung zu begrenzen, besteht darin, eine separate Stromversorgung und Treiberschaltung über das Kelvin-Source-Konzept zu verwenden und eine Diode zu integrieren Klemmung. Zwischen dem Gate und der Switch-Source befindet sich eine Diode Klemmung reduziert die am Gate anliegende negative Spannung.

Reverse-Recovery-Ladung Q_rr

Insbesondere bei resonanten Topologien oder Designs, die ein kontinuierliches hartes Schalten der Body-Diode des Treibers verwenden, ist es wichtig, die Sperrverzögerungsladung Q zu berücksichtigen_rr. Dies ist die Ladung, die von der integrierten Body-Diode – die in allen Dioden vorhanden ist – entfernt werden muss, wenn die Diode nicht mehr leitend ist. Mehrere Komponentenhersteller haben große Anstrengungen unternommen, um diese Belastung so weit wie möglich zu reduzieren. Die Familie "Schnelles Dioden-CoolMOSInfineons ” ist ein Beispiel für die Früchte dieser Bemühungen. Diese Modelle zeichnen sich durch schnellere Body-Dioden aus und können das Q senken_rr um den Faktor 10 im Vergleich zu seinen Vorgängern. Die CoolSiC-Familie von Infineon bietet sogar noch mehr – gegenüber den neuesten CoolMOS-Bauelementen erreichen diese SiC-MOSFETs eine zusätzliche zehnfache Verbesserung.

Die CoolSiC-Technologie unterstützt die Entwicklung von Systemen mit weniger Komponenten und magnetischen Elementen und kleineren Kühlkörpern, die einfacher, kompakter und kostengünstiger sind. Dank Trench Technology garantieren auch diese Komponenten minimale Nutzungsverluste und maximale Zuverlässigkeit im Betrieb.

Leistungsfaktorkorrektur (PFC)

Derzeit liegt der Fokus der Industrie auf der Effizienzsteigerung der Anlage. Um Wirkungsgradwerte von mindestens 98 Prozent zu erreichen, richten sich die Bemühungen verstärkt auf die Leistungsfaktorkorrektur (PFC). SiC-basierte MOSFETs mit Q_rr verbesserte Hilfe zur Zielerreichung. Diese Modelle unterstützen jetzt Halbbrücken-/Vollbrückentopologien (Hälfte-Brücke/voller-Brücke) fest für PFC geschaltet. Für seine CoolMOS-Technologie hatte Infineon zuvor einen „Triangle Current Mode“-Ansatz empfohlen, aber mit SiC ist es möglich, einen Totempfahl-PFC im kontinuierlichen Leitungsmodus zu implementieren.

Ausgangsleistung C_US

In einer hart geschalteten Topologie muss die gespeicherte Energie E dissipiert werden_US; diese Leistung ist typischerweise höher als die neueste CoolMOS-Version. Im Vergleich zu den Einschaltverlusten einer Totempfahl-PFC bleibt sie aber immer noch relativ gering und damit zumindest anfänglich nahezu vernachlässigbar. Die niedrigere Kapazität bedeutet, dass es möglich ist, von schnelleren Schaltgeschwindigkeiten zu profitieren, aber dies kann auch zu einem Drain-Source-Überschwingen (VDS) während der Aktivierung führen.

Bei Si-basierten MOSFETs kann dies kompensiert werden, indem ein externer Gate-Widerstand verwendet wird, um die Schaltgeschwindigkeiten zu verlangsamen, um die erforderliche Begrenzung der Drain-Source-Spannung auf 80 Prozent zu erreichen. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass insbesondere während der Aktivierung die Erhöhung des Stroms zu einer Erhöhung der Schaltverluste führt.

Obwohl die Ausgangskapazität bei SiC-basierten MOSFETs größer ist als bei Si-basierten Leistungshalbleitern über eine Drain-Source-Spannung von 50 V, ist das Verhältnis C_US/V_DS es ist viel linearer. Die Konsequenz daraus ist, dass SiC-basierte MOSFETs es ermöglichen, einen kleineren externen Widerstand in der gleichen Schaltung zu verwenden als Si-basierte Modelle, ohne die maximale Drain-Source-Spannung zu überschreiten. Dies kann bei manchen Schaltungstopologien, wie z. B. LLC-Resonanz-DC/DC-Wandlern, von Vorteil sein, bei denen der zusätzliche Gate-Widerstand weggelassen werden kann.

Fazit

Obwohl die Siliziumkarbid-Technologie viele Vorteile hat, ist die Obsoleszenz von Si-basierten MOSFETs keineswegs selbstverständlich. Dies ist zum Teil auf die viel höhere Schwellenspannung der Body-Diode zurückzuführen – das einfache Ersetzen eines Si-basierten MOSFET durch ein SiC-basiertes Modell würde die Verlustleistung in der Body-Diode vervierfachen und im Wesentlichen die Effizienzgewinne opfern. Um von der überlegenen Effizienz heutiger SiC-basierter MOSFETs zu profitieren, wurde die Funktion Auftrieb eines PFC sollte über den MOSFET-Kanal und nicht in Sperrrichtung der Body-Diode verwendet werden. Auch die Totzeiten müssen optimiert werden, um die Vorteile von SiC-basierten MOSFETs voll auszuschöpfen.

SiC-basierte MOSFETs haben geringere Leitfähigkeitsverluste und bis zu 80 Prozent Schaltverluste gegenüber IGBTs – in diesem Fall am Beispiel des 650-V-CoolSiC-MOSFET von Infineon.

Die Trench-Technologie minimiert Verluste während des Gebrauchs und bietet maximale Zuverlässigkeit während des Betriebs.

Autoren: Hannah Metzner, Produktverkaufsleiter Power of RutronikUnd René Mind, Senior Staff Engineer der PSS-Abteilung von Infineon