Mitsubishi Electric / ICSCRM 2017 Neue Source-Struktur macht SiC-MOSFETs robuster und effizienter

Aufbau der neuen Source-Struktur (rechts) im Vergleich zur alten (links)
Aufbau der neuen Source-Struktur (rechts) im Vergleich zur alten (links)

Entwickler von SiC-MOSFETs müssen zwischen Kurzschlussfestigkeit und Einschaltwiderstand Kompromisse machen. Mit der neuen Source-Struktur, die Mitsubishi Electric auf der ICSCRM 2017 vorgestellt hat, sinken die Verluste bei gleicher Robustheit um mehr als 20 % zu herkömmlichen SiC-MOSFETs.

Mitsubishi Electric hat auf der International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM 2017) die Entwicklung einer neuen SiC-Bauteilstruktur bekannt gegeben. Das Entwicklungsteam wird das neue Bauteil weiter verfeinern, um es ab dem Jahr 2020 kommerziell verfügbar zu machen. Es ist für den Einbau in Leistungsmodule konzipiert und erfordert keine spezielle Schutzbeschaltung für den Überstrom- und Kurzschlussfall.

Laut der Forschungsabteilung hat das neue 1200-V-Bauteil einen spezifischen Einschaltwiderstand RDS(on),spez von 5 mΩ/mm² bei Raumtemperatur und eine Kurzschlusszeit von mehr als 8 μs (Bild 1). Dies ist das Ergebnis einer neuen, proprietären Source-Struktur. Bei herkömmlichen MOSFETs wird die Source als ein einzelner Bereich gebildet. Demgegenüber hat Mitsubishi Electric eine zusätzliche Region im Source-Bereich eingeführt, um den Reihenwiderstand der Source eines SiC-MOSFETs zu steuern (Bild 2). Durch diese Struktur verringert sich der Kurzschlussstrom, indem der Einschaltwiderstand durch den Temperaturanstieg beim Kurzschluss steigt. Bei normalen Betriebstemperaturen jedoch verbleibt der Einschaltwiderstand bei niedrigen Niveaus.

Infolgedessen sinkt, bezogen auf die allgemeine Kurzschlusszeit für Silizium-Leistungshalbleiter, der spezifische Einschaltwiderstand (Produkt aus Bauteilfläche und ohmschem Widerstand) dieses neuen SiC-MOSFETs bei Raumtemperatur um 40 % und die Verluste um mehr als 20 %, verglichen des herkömmlichen 1200-V-SiC-MOSFETs von Mitsubishi (Bild 3).

Bilder: 3

Mitsubishi Electric stellt neue SiC-MOSFET-Struktur vor

Mit der neuen Source-Struktur, die Mitsubishi Electric auf der ICSCRM 2017 vorgestellt hat, sinken die Verluste bei gleicher Robustheit um mehr als 20 % zu herkömmlichen SiC-MOSFETs.

Warum Kurzschlüsse verhindern?

Kurzschlüsse in der Leistungselektronik können hohe Überstromströme in Halbleiterbaugruppen verursachen, was zu Beschädigungen oder Ausfällen des Bauteils führen kann. Um dies zu verhindern, muss jeder Überstrom so schnell wie möglich unterbrochen werden. Als Kurzschlusszeit bezeichnet man die Zeitdauer, die ein Bauelement einem Überstrom standhalten kann. Da der Widerstand eines SiC-MOSFET niedriger als der eines Silizium-MOSFETs ist, sind die Überstrom tendenziell größer, sodass sich die Kurzschlusszeit verkürzt. Um SiC-MOSFETs vor Beschädigungen zu schützen, muss der Überstrom in diesem Fall schneller beendet werden als bei einem Siliziumbauteil. Dies geschieht in der Regel durch den Einbau spezieller Schutzschaltungen für SiC-MOSFETs.

Im Bereich der Leistungselektronik bietet eine lange Kurzschlusszeit ein weniger komplexes Schaltungsdesign, was die Zuverlässigkeit erhöht. Das neu entwickelte Bauelement kann in SiC-MOSFETs mit verschiedenen Sperrspannungen eingesetzt werden und kann mit den vorhandenen Kurzschlussschutzschaltungen für Silizium-Leistungsbauelemente einfach betrieben werden.