Vorteile von Siliziumkarbid-Leistungs-MOSFETs

Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) haben aufgrund ihrer überlegenen Leistung im Vergleich zu IGBTs auf Siliziumbasis großes Interesse bei der Industrie geweckt. SiC-Bauteile zeichnen sich durch einen geringeren Einschaltwiderstand, geringere Schaltverluste und eine niedrigere Betriebstemperatur aus, was neue Leistungsanwendungen ermöglicht.

Cree/Wolfspeed, Microsemi, Infineon, GeneSiC, ROHM und ST gehören zu den zahlreichen Lieferanten, die sowohl planare als auch Trench-MOSFETs anbieten.

Verbesserte Spannungseigenschaften

SiC-Leistungs-MOSFETs verfügen über eine breitere Bandlücke, die es ihnen ermöglicht, bei höheren Spannungen zu arbeiten, wodurch sie sich für Anwendungen wie Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, USVs und Solar-Stringwechselrichter eignen. Dies führt zu niedrigeren Betriebskosten und geringeren Energieverlusten, die zu einer Verschlechterung der Umweltbedingungen beitragen, während gleichzeitig die Effizienz durch eine Verringerung der passiven Komponenten und Schaltverluste verbessert wird. Damit eignen sich diese Geräte ideal für anspruchsvolle Anwendungen wie Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, USVs und Solar-Stringwechselrichter, bei denen es auf Effizienz ankommt.

SiC-Leistungsbauelemente haben außerdem den Vorteil, dass sie eine hohe elektrische Feldstärke aufweisen, die es ihnen ermöglicht, höhere Stromstärken bei geringerer Größe des externen Gate-Widerstands und geringeren Kosten zu bewältigen. Dies ist besonders vorteilhaft für DC/DC-Wandler mit LLC-Resonanz, bei denen das Verhältnis zwischen Spannung und Schaltleistung (COSS/VDS) im Vergleich zu anderen Bauelementtypen sehr viel linearer ist.

SiC-Leistungs-MOSFETs weisen hohe Sperrspannungen auf, was sie in Hochspannungsumgebungen sicherer macht als ihre Silizium-Gegenstücke, die niedrigere Sperrspannungen aufweisen. Dies macht den SiC-MOSFET zuverlässiger, da er mit den rauen Bedingungen in Kfz-Antriebssystemen zurechtkommt. Darüber hinaus können SiC-MOSFETs höhere di/dt-Bedingungen und höhere Body-Dioden-Werte bewältigen, was eine robuste Kommutierung ermöglicht und gleichzeitig höhere BV-Werte in Body-Dioden für eine zuverlässige Kommutierung und Body-Dioden-Nutzung zulässt.

Geringer Leitungsverlust

Siliziumkarbid-Bauelemente (SiC) können aufgrund ihrer breiten Bandlücke im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Bauelementen höhere Spannungen bei geringeren Leistungsverlusten erreichen, was zu einer höheren Energieeffizienz, einer geringeren Anzahl von Komponenten, kleineren Gehäusen und einem kompakteren Gesamtdesign führt.

SiC-MOSFETs sorgen bei modernen Stromrichtern für schnelle Schaltfrequenzen und sind damit ein wichtiges Bauteil. Leider kann es bei diesen MOSFETs jedoch zu Überschwingungen und Oszillationen kommen, die die elektromagnetische Kompatibilität stören oder zu einem vorzeitigen Ausfall der Geräte führen. Um diese nachteiligen Auswirkungen zu verringern, müssen die Gate-Ansteuerungsparameter optimiert und parasitäre Induktivitäten so schnell wie möglich reduziert werden.

Mit der Umstellung der Energiewirtschaft auf umweltfreundlichere Energiequellen ist die Nachfrage nach Hochspannungsgeräten in die Höhe geschnellt, so dass Materialien der nächsten Generation wie SiC diesen steigenden Bedarf decken können. SiC ermöglicht Anwendungen im Megawattbereich, wie z. B. Bahnstromrichter und industrielle Mittelspannungsantriebe - etwas, wofür SiC ideal ist.

SiC-MOSFETs profitieren von höheren Betriebstemperaturen und breiteren Bandlücken, die viel größeren Spannungen standhalten können, wodurch der On-Widerstand sinkt und die Leistungsdichte steigt. Die CoolSiC G2-Portfolios von weEn bieten den klassenbesten RDS(ON) sowohl bei 650 V als auch bei 1200 V unter Verwendung der Trench-Assisted-Planar-Technologie sowie Hochleistungsdioden, um Zuverlässigkeit und Leistung zu gewährleisten. Sie eignen sich für Anwendungen von 10 kW bis hin zu MW im Schienenverkehr, für das schnelle Laden von Elektrofahrzeugen und für Solar-Wind-Anwendungen in der Industrie.

Hochgeschwindigkeits-Schalten

SiC-Leistungs-MOSFETs bieten schnelle Schalteigenschaften bei minimalem Leitungsverlust und Betriebstemperaturbereich, was bei neuen elektronischen Schaltungsdesigns erhebliche Vorteile bietet.

Schnelles Schalten kann viele Vorteile für Schaltungsentwürfe mit sich bringen, z. B. kleinere Stellflächen, höhere Effizienz und geringere Gesamtverzerrung (THD). Diese Methode bringt jedoch auch zahlreiche Herausforderungen mit sich. Dazu gehört der Bedarf an Hochgeschwindigkeitsprüfgeräten, wie z. B. passive Spannungstastköpfe mit ausreichender Bandbreite und dynamischer Leistung, sowie Strombeobachtungswiderstände mit sehr kleinen Ladekapazitäten.

Eine Herausforderung für den effizienten Betrieb komplexer Systeme besteht darin, parasitäre Effekte wie Messungenauigkeiten, Stromschwankungen, Spannungs-/Stromspitzen bei Übergängen und die galvanische Isolierung von Gate-Treibern/SiC-FETs von Niederspannungsschaltkreisen zu minimieren.

Die große Bandlücke von Siliziumkarbid ermöglicht es den Elektronen, sich schnell entlang des Kanals zu bewegen, was zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten, einem geringeren Durchlasswiderstand, einem dünneren Verarmungsbereich und einer höheren Sperrspannung führt. Daher eignen sich SiC-MOSFETs ideal für Anwendungen, die ein schnelles Schalten mit geringen Verlusten erfordern, wie z. B. Dreiphasen-Wechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Photovoltaik-Wechselrichter.

Niedriger On-Widerstand

SiC-MOSFETs weisen einen geringeren On-Widerstand auf als ihre Silizium-Gegenstücke und eignen sich daher für Hochspannungsanwendungen. Dies ist dank der breiteren Bandlücke des SiC-Materials möglich, die zu dünneren Verarmungsbereichen führt, in denen sich die Elektronen leichter zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen des Bauelements bewegen können. Darüber hinaus tragen die überlegene Wärmeleitfähigkeit und die höhere Sättigungselektronendriftgeschwindigkeit zu schnelleren Schaltvorgängen bei, die den Durchlasswiderstand im Vergleich zu Silizium-Bauelementen um bis zu 15 Prozent senken.

Der geringere spezifische Durchlasswiderstand von SiC-Leistungs-MOSFETs kann auch zur Verringerung der Diodengröße und der Gesamtsystemverluste beitragen, wodurch sich diese Bauelemente ideal für den Einsatz in Wechselrichtern für elektrische Antriebe und USV-Anwendungen eignen.

Da die Nachfrage nach Hochspannungs-Leistungsbauelementen steigt, suchen die Hersteller nach Möglichkeiten, die On-Widerstandsleistung zu verbessern, um die Systemverluste weiter zu verringern und höhere Wirkungsgrade in Leistungssystemen zu ermöglichen. SiC-Leistungs-MOSFETs sind die ideale Lösung, da sie mit ihren überlegenen elektrischen Eigenschaften wie hoher kritischer Durchbruchfeldstärke, Wärmeleitfähigkeit und intrinsischer Ladungsträgerkonzentration eine hervorragende Lösung darstellen.

SiC-Leistungs-MOSFETs werden aufgrund ihrer verbesserten On-State-Eigenschaften immer häufiger eingesetzt und ermöglichen effizientere Schaltdesigns für eine Vielzahl von Hochspannungsanwendungen. Leider gibt es jedoch immer noch einige Zuverlässigkeitsprobleme mit diesen Bauelementen, wie z. B. die Degradation des Gate-Oxids, der Ausfall bei beschleunigten Lebensdauertests bei hohen Temperaturen (ALT-HTRB) und Neutronenschäden.