Der neue SiC-MOSFET von Onsemi

Siliziumkarbid (SiC) ist ein mit Diamant vergleichbarer Halbleiter mit breiter Bandlücke und bietet ähnliche elektrische Eigenschaften, die höhere Schaltfrequenzen, geringere Leistungsverluste und größere Leistungsdichten ermöglichen.

Der 1200-V-EliteSiC-Planar-SiC-MOSFET von onsemi wird jetzt in einem TO-247-4L-Gehäuse nach Industriestandard bemustert und zeichnet sich im Vergleich zu früheren Generationen durch reduzierte Durchlass- und Abschaltverluste aus und bietet einen Widerstand von 11 mO.

Kleine Größe

Die Leistungshalbleiter von Onsemi bieten Entwicklern eine große Auswahl an Gehäusegrößen und Spannungswerten, und ihre Siliziumkarbid (SiC)-Technologie ermöglicht schnellere Schaltgeschwindigkeiten bei geringeren Leitungsverlusten als herkömmliche Silizium-Leistungsschalter.

Stromversorgungsschaltungen für Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge, Off-Board-Ladegeräte und DC-DC-Wandler sind in der Regel auf SiC-MOSFETs und Dioden angewiesen, um optimale Leistung zu erzielen. Der planare 1200-V-SiC-MOSFET EliteSiC reduziert die Leitungs- und Abschaltverluste um 30% mit einem niedrigen Durchlasswiderstand von 11mO, was zu einem höheren Wirkungsgrad, schnelleren Betriebsfrequenzen, höherer Ausgangsleistung und geringeren EMI-Emissionen führt.

Der TBL045N065SC1 wird in einem TOLL-Gehäuse geliefert und erfüllt die Pb-, Halogen- und BFR-Normen mit Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe 1 (MSL 1), so dass er sich für anspruchsvolle Anwendungen wie Solarwechselrichter, Server- und Telekommunikationsnetzteile, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Energiespeicher eignet. Da Onsemi einer der einzigen vertikal integrierten SiC-Leistungshalbleiterlieferanten mit eigenem Boule-Wachstum, Substratherstellung, Epitaxie und Bauelementeherstellungsprozessen ist, kann Onsemi schnell zusätzliche Angebote liefern. Onsemis neuestes Bauelement 60% bietet im Vergleich zu seinem Silizium-Vorgänger ein kleineres Gehäuse und hilft Kunden, die ErP- und 80 PLUS Titanium-Effizienzstandards zu erfüllen.

Hoher Wirkungsgrad

Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) können dazu beitragen, die Systemeffizienz zu verbessern und die Kosten zu senken, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen wie dem Aufladen von Elektrofahrzeugen (EV), industriellen Antrieben und Stromversorgungen, Rechenzentren oder dem Onboard-Laden von Elektrofahrzeugen (EV). Selbst kleine Verbesserungen der Systemeffizienz können dramatische Auswirkungen haben: So könnte die Verbesserung eines Wechselrichters für Elektrofahrzeuge um nur einen Prozentpunkt dazu führen, dass jährlich 4 Milliarden Kilometer mehr gefahren werden, während eine Verbesserung für Rechenzentren allein bei den Stromkosten $650 Millionen jährlich einsparen könnte!

Mit einer Sperrspannung von 1200 V sind SiC-MOSFETs in der Lage, höhere Ströme auf kleinerem Raum zu liefern und gleichzeitig die Wärme effektiver zu verwalten als herkömmliche Silizium-Leistungstransistoren. Ihr Drain-Source-On-Widerstand (RDS(on)) von weniger als 1 mO ermöglicht die Bereitstellung höherer Ströme bei verringerten Rauschemissionen, während ihre Soft-Recovery-Körperdiode den Sperrstrom minimiert, um den Sperrstrom zu minimieren und den Sperrstrom zu reduzieren, wodurch das Sperrstrom-Klingelgeräusch minimiert wird, während ihre isolierte Gate-Struktur verhindert, dass Ladung in ihre Körper entladen wird, um Schaltverluste und Rauschemissionen zu reduzieren.

In hart schaltenden Anwendungen kann der 1200-V-EliteSiC-MOSFET die Verlustleistung im Vergleich zu branchenführenden Mitbewerbern um 20% senken. Dadurch können Entwickler mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten und gleichzeitig kleinere passive Komponenten verwenden und die Systemkosten insgesamt senken. Dank seiner schnellen Schaltleistung und geringen Leitungsverluste ist dieser Baustein außerdem ideal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Hohe Verlässlichkeit

Da der SiC-Leistungs-MOSFET seinen rasanten Aufstieg in den Anwendungen fortsetzt, äußern frühe Anwender häufig Bedenken hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit. Studien zeigen, dass SiC extrem robust ist, aber dennoch strenge Tests unter schwierigen Bedingungen erforderlich sind, um zu beurteilen, wie es sich unter Strom, EMI, Temperaturschwankungen und mehr verhält. Diese Bewertungen ermöglichen es den Entwicklern, bessere Schaltungen zu entwerfen, die die Leistung maximieren und Kosten sparen.

Infineon-Ingenieure haben die Ausfallrate von SiC-Bauelementen erfolgreich reduziert, indem sie sie mit hohen Spannungen geprüft haben. Bei diesem Screening-Verfahren werden nacheinander Spannungen angelegt, die um ein V höher sind als zuvor. Anschließend werden die Schwellenspannungen gemessen und ihr Verhältnis zur empfohlenen Gate-Spannung in den Datenblättern verwendet, um die Faktoren zur Verringerung der Ausfallrate zu berechnen.

Zuverlässigkeitsprobleme im Zusammenhang mit gehäusten SiC-MOSFETs unter Stromzyklusbelastung bleiben ebenfalls bestehen. Auch wenn sie nicht so extrem sind, verursacht die Verschlechterung durch Ladungseinfang an der SiC/SiO2-Grenzfläche erhebliche Verschiebungen der Schwellenspannung und des Durchlassstroms, die die Lebensdauer der Bauelemente verringern.

Onsemi hat kürzlich einen 650-V-SiC-Leistungs-MOSFET mit TOLL-Gehäuse vorgestellt, der all diese Kriterien und noch mehr erfüllt! Er wurde speziell für die strengen Anforderungen von Schaltnetzteilen, Server- und Telekommunikationsnetzteilen, Solarwechselrichtern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen entwickelt und ist zudem halogenfrei (halogenfrei, Pb-frei und RoHS-konform).

Niedriger On-Widerstand

SiC-MOSFETs haben einen geringeren On-Widerstand als Silizium (Si)-Bauelemente, was kleinere Gehäuse und Energieeinsparungen ermöglicht. Ihre schnelleren Schaltzeiten führen zu einem besseren Wirkungsgrad und einer geringeren Verlustleistung - sowie zu niedrigeren Temperaturkoeffizienten, die sie zuverlässiger machen als Si-Leistungshalbleiter.

Der On-Widerstand ist ein wesentliches Element der Kurzschlussfestigkeit bei Hochstromanwendungen, insbesondere bei SiC-Bauelementen mit langen On-Widerständen und bei direktem Anschluss an Drain- und Source-Spannungsquellen. Ein SiC-Bauelement mit zu hohem On-Widerstand verlängert die Zeit, die seine Gate-Treiberspannung benötigt, um in die Sättigung zu gelangen und einen Avalanche-Effekt auszulösen, was zu einem Durchbruch in der Siliziumoxidschicht führen kann, die Drain und Source trennt.

Eine Möglichkeit, den On-Widerstand zu reduzieren, besteht darin, die Gate-Treiber-ICs robuster zu machen und so Schäden an den Bauteilen zu vermeiden. UnitedSiC hat SiC-FETs mit dem branchenweit niedrigsten On-Widerstand hergestellt. Ihr UJ4SC075006K4S-Baustein der 4. Generation weist beispielsweise einen On-Widerstand von 6 mOhm auf und kann eine Spannung von 750 V mit integrierter De-Sat-Funktion unterstützen, die sich nahtlos in Standardtreiber integrieren lässt.

Toshiba hat eine Bauelementestruktur entwickelt, die den On-Widerstand drastisch senkt, indem sie den JFET-Widerstand und den Spreizwiderstand verringert, wobei RonA um 43% und Ron*Qgd um 80% im Vergleich zu den Produkten der zweiten Generation reduziert wurde. Außerdem wurde ein breiterer p-Diffusionsbereich hinzugefügt, um die Rückkopplungskapazität und den JFET-Widerstand zu verringern.