Die ersten kommerziell erhältlichen SiC-Schottky-Barrieren-Dioden (SBDs) wurden vor mehr als zehn Jahren eingeführt. Seitdem wurden SiC-SBDs in das Design zahlreicher Stromversorgungssysteme integriert, insbesondere in PFC-Schaltungen (Power Factor Correction) von Schaltnetzteilen. Als nächstes kamen SiC-Leistungsschalter (JFETs, BJTs und MOSFETs). Für Anwendungen, die höhere Leistungspegel erfordern und diskrete Geräte akzeptieren, bieten Anbieter jetzt Leistungsmodule an, die mehrere diskrete Geräte (entweder gekapselte oder nackte Halbleiterchips) in kompakten Formaten integrieren. Diese kompakten Module sind in allen SIC SBD All-SiC- oder Hybrid-IGBT-SiC-Versionen erhältlich.
Es gibt mehrere Anbieter von SiC-SBDs.
Die ersten angebotenen SiC-Schalter sind JFETs und BJTs, während SiC-MOSFETs die jüngste Ergänzung in den letzten zwei bis drei Jahren darstellen. Die Ausgereiftheit der Technologie, ihre Leistungsfähigkeit und die enorme Kostenreduzierung aufgrund steigender Stückzahlen und zunehmendem Wettbewerbs sind die Hauptgründe, warum SiC-MOSFETs in immer mehr Anwendungen eingesetzt werden.
Derzeit verfügbare SiC-SBDs bieten Durchbruchspannungsbereiche von 600 V bis 1700 V und Ströme von 1 A bis 60 A. Daher neigen SiC-Geräte dazu, mit Silizium-MOSFETs im Bereich von 600 V bis 900 V und IGBTs im Bereich über 1 kV zu konkurrieren. Sowohl eingekapselte als auch nackte Halbleiterchipvorrichtungen sind allgemein verfügbar.
Die Vorteile von SiC-SBDs, die seit über 10 Jahren erfolgreich in Stromversorgungssysteme integriert werden, sind Energieingenieuren wohlbekannt. SiC-MOSFETs sind die neueste Ergänzung und haben aufgrund des selbstsperrenden Betriebs des Bauteils zunehmende Akzeptanz bei Leistungsentwicklern gefunden. Dies sind spannungsgesteuerte Bauelemente, deren Gate-Steuerung im Vergleich zu Junction-Gate-Feldeffekttransistoren (JFETs) und Bipolar-Junction-Transistoren (BJTs) einfach ist.
ROHM Semiconductor hat kürzlich zwei neue 1200-V-SiC-MOSFETs mit den Namen SCT2080KE und SCH2080KE angekündigt, die für eine kostengünstige Leistung ausgelegt sind.
Dies sind zwei 80 Milliohm (mΩ) Bauelemente und der SCH2080KE von ROHM ist der erste SiC-MOSFET, der zusammen mit einem diskreten antiparallelen SiC-SBD verpackt ist. Eigenschaften, Vorteile und Parameter des Geräts werden in diesem Artikel beispielhaft vorgestellt.
SiC-MOSFETs: Nutzung der SiC-Materialeigenschaften zur Verbesserung von Leistungsschaltgeräten
Ein idealer Leistungsschalter hat diese Eigenschaften:
• Fähigkeit, hohe Ströme ohne Leitungsspannungsabfall zu führen
• Sperrt Hochspannungen ohne Leckage im abgeschalteten Zustand
• Erfasst keine Energieverluste beim Umschalten von Schnitt auf Leitung und umgekehrt
Mit Silizium ist es schwierig, diese wünschenswerten, aber diametral entgegengesetzten Eigenschaften zu kombinieren, insbesondere bei hohen Spannungs- und Stromwerten. Beispielsweise ist für eine Durchbruchspannung von 800 V oder höher der Kanalwiderstand (und daher der Vorwärtsspannungsabfall) aufgrund der großen Driftzone, die erforderlich ist, um einer solchen Spannung standzuhalten, sehr hoch. Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) wurden entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Bei IGBTs wird ein niedriger Widerstand für eine hohe Durchbruchspannung auf Kosten der Schaltleistung erreicht. Minoritätsträger werden in die Driftzone injiziert, um den Einschaltwiderstand zu verringern. Wenn der Transistor abschaltet, benötigen diese Ladungsträger Zeit, um sich zu rekombinieren und von der Basisregion "abzuleiten", wodurch die Schaltverluste und die Zeit erhöht werden.
MOSFETs sind meistens Trägergeräte, daher haben sie keinen „Tail“-Strom, wie es bei IGBTs auftritt, wenn sie abschalten. Daher vereinen SiC-MOSFETs die drei wünschenswerten Eigenschaften in einem Leistungsschalter, dh hohe Durchbruchspannung, niedriger Einschaltwiderstand und hohe Schaltgeschwindigkeit.
Die kleinere Halbleiterchipgröße des SiC-MOSFET bedeutet, dass weniger Streukapazitäten vorhanden sind. Im Vergleich zu einem 900-V-Silizium-MOSFET sind die Ciss- und Coss-Werte 10-mal kleiner. Bei 100 nC ist die Gate-Ladung etwa fünfmal geringer. Durch die Kombination von SiC-MOSFETs und SiC-SBDs in einem einzigen Gehäuse bietet der SCH2080KE von ROHM einen um 88 % geringeren Ausschaltverlust und einen um 34 % geringeren Einschaltverlust als Silizium-IGBTs und Fast-Recovery-Dioden (FRD). Die Verbesserung beim Abschalten ist auf das Fehlen eines Schwanzstroms im MOSFET zurückzuführen, während die Verbesserung beim Einschalten auf den viel geringeren Erholungsverlust der SiC-Diode zurückzuführen ist.
Diese sehr geringen Leitungsverluste bieten einige bemerkenswerte Vorteile:
• Niedrige Verluste bedeuten weniger Wärmeerzeugung, was sich wiederum in einfacheren, billigeren, kleineren und/oder leichteren Kühlsystemen und letztendlich in einer höheren Leistungsdichte niederschlägt.
• Niedrige Schaltverluste ermöglichen eine Erhöhung der Schaltfrequenz, um die Größe der passiven Komponenten (Kondensatoren, Spulen) zu reduzieren sowie die Kosten, Größe und das Gewicht des Systems zu reduzieren. Die Verringerung der Größe ist ungefähr proportional zur Erhöhung der Frequenz.
• Weniger erzeugte Wärme ermöglicht niedrigere Betriebstemperaturen, wodurch die Komponentenspezifikationen weniger anspruchsvoll werden und möglicherweise die Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Komponenten ermöglicht wird. Auf Systemebene bedeutet dies, dass ein SiC-System mit niedrigeren Spezifikationen ein Siliziumsystem mit höheren Spezifikationen ersetzen kann.
Vorteile von Hochtemperatur-SiC-MOSFETs
Aufgrund der höheren Bandbreite des Materials kann ein SiC-Gerät bei sehr hohen Temperaturen arbeiten. Derzeit verfügbare SiC-MOSFETs und -SBDs sind für nur 150 °C bis 175 °C ausgelegt, hauptsächlich aufgrund von Gehäusebeschränkungen. Es hat sich gezeigt, dass SiC-Leistungsmodule mit spezieller Halbleiterchip-Verbindungstechnologie bei 250 °C funktionieren. Außerdem wurden diese Geräte in laufenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bei 650 °C betrieben. Die Obergrenze des Silizium-Halbleiterbauelements liegt bei 300 °C, wenn das Material aufhört, sich wie ein Halbleiter zu verhalten. Hinzu kommt, dass die Wärmeleitfähigkeit von SiC dreimal höher ist als die von Silizium. Diese Eigenschaften tragen zu einem geringeren Kühlbedarf bei und vereinfachen so die Kühlung von SiC-Bauteilen. Dies führt zu kleineren, leichteren und kostengünstigeren thermischen Systemen.
Ebenso ändern sich die elektrischen Eigenschaften von SiC-MOSFETs nicht so stark mit der Temperatur wie Silizium-MOSFETs (dies gilt auch für SIC-SBDs). Beispielsweise beträgt der Rds-on des SCT2080KE von ROHM 80 mΩ bei Tj = 25 °C. Bei Tj = 125 °C beträgt Rds 125 mΩ, was einer Steigerung von 64 % entspricht. Bei Silizium-MOSFETs beträgt die Steigerung mehr als 56 %. Der Vorteil ist, dass SiC-MOSFETs nicht so niedrig spezifiziert sein müssen wie Silizium.
Zuverlässigkeit von SiC-MOSFETs
Zuverlässigkeit ist einer der wichtigsten Aspekte im Design von Leistungselektronik, egal ob es sich um die Netzumwandlung, Leistungsumwandlung oder elektrische Antriebe in Elektrofahrzeugen oder Haushaltsgeräten handelt. Eine übliche Fehlerart bei MOS-Bauelementen ist eine elektrische Überlastung des Gate-Oxids. Daher wirkt sich die Qualität des Gateoxids direkt auf die Zuverlässigkeit von SiC-MOSFETs aus. Die Entwicklung von qualitativ hochwertigem Oxid auf einem SiC-Substrat war bis vor kurzem ein großes Problem für die Industrie. Ziel ist es, die Defektdichte – Einschlüsse in der Grenzfläche und im Volumen – zu minimieren, um die Lebensdauer und die Stabilität der elektrischen Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen. Ein weiterer Aspekt bezüglich der Zuverlässigkeit der Vorrichtung ist die Stabilität der Schwellenspannung des Gates (Vth), da das Gate positiven und negativen Polarisationen ausgesetzt ist. Wenn über einen langen Zeitraum eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, binden die Kristalldefekte im SiC-Oxid, um Elektronen einzufangen und eine Erhöhung von Vth zu verursachen, wie in 8 gezeigt. Ähnlich, wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird eine negative Spannung angelegt wird, bewirken die eingefangenen Löcher eine Abnahme von Vth. Dies ist vergleichbar mit der eines Silizium-MOSFET. In der Praxis wäre die Variation viel geringer, da die MOSFETs abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch können eingefangene Elektronen und Löcher zwischen den Kommutierungszyklen "entkommen". Daher sind die eingefangenen Ladungsträger, die sich ansammeln und eine Variation von Vth erzeugen, viel weniger zahlreich. SiC-MOSFETs mit zuverlässigen Strukturdioden können in Schaltungstopologien verwendet werden, die bewirken, dass die Strukturdiode schaltet, wie z. B. Brückentopologien in Wechselrichtern. Wenn dies nicht überprüft wird, verursachen Defekte im Wafer und in der Epitaxialschicht eine Erhöhung des Leitungswiderstands, des Diodendurchlassspannungsabfalls und des Leckstroms, wenn Gleichstrom durch die Diode fließt. Dies ist auf die Ausbreitung einer Reihe von Fehlern zurückzuführen, die durch Rekombinationsenergie verursacht werden. Die lokale Wärme steigt mit dem Leitungswiderstand und verursacht somit mehr Ausfälle. ROHM hat einen eigenen Prozess entwickelt, um die Fehlerdichte sowie die Ausbreitung von Fehlern zu minimieren.
Testergebnisse, die mit dem SiC-MOSFET SCT2080KE von ROHM durchgeführt wurden, zeigen, dass die Strukturdiode robust in Rückwärtsleitung ist. ROHM Semiconductor bietet ein umfassendes Sortiment an SiC-MOSFETs mit Durchbruchspannungen von 400 V bis 1700 V und Nennströmen von 10 A bis 63 A. Verfügbare Bauelemente werden in Durchsteckgehäusen sowie als nackte Halbleiterchips geliefert. Die ersten beiden Mitglieder der SiC-MOSFET-Produktlinie von ROHM, der SCT2080KE und der SCH2080KE, sind seit Juli 2013 in Massenproduktion und haben beide 1200 V und 80 mΩ. Der SCH2080KE enthält den Halbleiterchip des SCT2080KE und die diskrete antiparallele SiC-SBD-Diode im selben Gehäuse. Dies spart Platinenplatz, vereinfacht das Layout und kostet weniger als vergleichbare diskrete Geräte. Der SCH2080 ist ein Novum auf dem Markt und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen kleine Größe und geringes Gewicht wichtig sind, wie Motorantriebe und DC/DC-Wandlung in Luft- und Raumfahrtanwendungen sowie Elektro- und Hybridfahrzeugen. Andere Mitglieder der 1200-V-Familie sind kleinere, kostengünstigere MOSFETs mit einem Rds-on von 160 mΩ bis 450 mΩ sowie größere Halbleiter-Tonabnehmer (für höhere Ströme) und einem Rds-on, der fast halb so hoch ist wie bei aktuellen Geräten. Alle diese Geräte sind bereits für 175°C ausgelegt.
Weitere Informationen unter www. rohm.com/eu
