Power-Module mit Schaltern aus Silizumkarbid SiC-JFETs drücken Schaltverluste

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) haben in den letzten Jahren vor allem in Form von Freilaufdioden eine weite Verbreitung gefunden. Nun kommen auch Transistoren aus diesem Halbleitermaterial auf den Markt. Dieser Artikel beschreibt die Schaltcharakteristika von selbstsperrenden 1200-V-SiC-VJFET-Bausteinen bei Strömen bis zu 100 A in einem Halbbrückenmodul.

Es ist anzunehmen, dass SiC-Leistungstransistoren in den meisten Anwendungen - beispielsweise Elektrofahrzeuge, Solar-Wechselrichter und Hochleistungsserver - in einem Modul integrieren werden. Dafür gibt es mehrere Gründe, beispielsweise höhere Leistung und erweiterter Funktionsumfang.

Durch den Einsatz eines Moduls anstelle mehrerer diskreter Bauelemente lassen sich zudem Kosten einsparen, und der Platzbedarf im Endprodukt verringert sich. Module erzielen meist auch eine bessere Performance, weil Gate-Treiber und Steuerbauteile in unmittelbarer Nähe der Schalter platziert werden können. Dadurch verringern sich die parasitären Kapazitäten und Induktivitäten, und es lassen sich höhere Schaltgeschwindigkeiten realisieren.

Für Hersteller von SiC-Bauteilen ergibt sich noch ein weiterer Vorteil: In einem Modul ist es einfacher, anstelle eines einzigen großen Transistors mehrere parallelgeschaltete kleinere Transistoren (mit höherer Fertigungsausbeute) zu verbauen, als bei einer diskreten Lösung. Bisher wurden allerdings noch sehr wenige Informationen über das Schaltverhalten solcher Module veröffentlicht. Daher beschreibt dieser Artikel sämtliche Schaltcharakteristika von selbstsperrenden 1200V-SiC-VJFET-Schalttransistoren bei Strömen bis zu 100 A in einem Halbbrückenmodul.

DC-Charakteristika

 

Für diese Demonstration wurden handelsübliche Module in SP1-Konfiguration ausgewählt.

Diese flachen Module besitzen AlN-Substrate zur Verbesserung der Wärmeabfuhr.

Bild 1 zeigt die Halbbrücken-Konfiguration der Module, bestehend aus zwei in Serie liegenden Schaltern mit jeweils einer antiparallel geschalteten Diode.

Pro Schalterstellung enthält das Modul acht 4,5-mm2-VJFETs vom Typ »SJEC120R100« von Semi-South und zwei 1200-V/30-A-SiC-Schottky-Dioden vom Typ »SDC30S120« vom selben Hersteller.

Jeder VJFET-Chip hat einen typischen On-Widerstand von weniger als 100 mΩ, eine Schwellenspannung von etwa 1 V und eine Sperrspannung von 1200 V.

Bild 2 zeigt das Modul. Trotz dieser kompakten Abmessungen beanspruchen die VJFET- und Schottky-Chips nur etwa die Hälfte der gesamten Layout-Fläche.

Das Layout umfasst außerdem Kelvin-Source-Anschlüsse sowie interne Kondensator- und Snubber-Bauteile, die weiter unten noch genauer beschrieben werden.

Bild 3 zeigt die Ausgangskennlinien des Moduls.

Bei einem Drain-Strom ID von 100 A beträgt der On-Widerstand 10 mΩ, das entspricht einem spezifischen On-Widerstand von nur 2,7 mΩ·cm2.

Bei +25 ºC beträgt der maximale Sättigungsstrom mehr als 200 A; bis +150 ºC verringert er sich auf etwas mehr als 100 A.

Falls die Anwendung es erfordert, können Bauteile mit noch höheren Sättigungsströmen (bis zu 50% höher, also etwa 150 A) eingesetzt werden.

Die Temperaturdrift der Schwellenspannung ist sehr moderat, denn die nominelle Schwellenspannung (Uth) von 1,15 V verringert sich um etwa 2 mV/K bis auf 0,9 V bei +150 °C (Bild 4).

Bei dieser hohen Temperatur steigt der On-Widerstand auf 27 mΩ an - so wie es bei SiC-MOSFETs aufgrund der 2,7-fachen Reduktion der Majoritätsträgerbeweglichkeit und der Abwesenheit von Interface-Effekten zu erwarten ist. Zur Charakterisierung des Schaltverhaltens des Moduls wurden standardisierte Doppelpulsmessungen durchgeführt. Die beiden Schalterstellungen des Halbbrückenmoduls fungierten als »oberer« und »unterer« Schalter, während die obere interne SiC-Schottky-Diode als Freilaufdiode fungierte.

Eine externe 45-µH-Induktivität diente als Last. Das Gate-Treiber-Design basierte auf einem kundenspezifischen, diskreten, zweistufigen Referenzdesign und wurde für die größere Chipfläche und die Halbbrücken-Topologie skaliert. Das zweistufige Design liefert zum schnellen Laden der Kapazität zunächst für die Dauer von etwa 100 ns einen 25 A starken Stromimpuls; danach reduziert es den Treiberstrom auf einen niedrigen (einstellbaren) Wert von etwa 500 mA, um die selbstsperrenden VJFETs über den gesamten Temperaturbereich hinweg in einem leitenden Zustand mit niedrigem RDS(on) zu halten.

Zur Charakterisierung der Schaltverluste wurden die Module bei einer Busspannung von 600 V und einem Drain-Strom von 25 A bis 100 A geschaltet.

Kurze Schaltzeiten führen zu Oszillationen

Obwohl beim Entwurf des Layouts große Sorgfalt auf die Anordnung der Bauteile verwandt wurde - Ziel waren minimale Bonddrahtlängen und parasitäre Induktivitäten -, waren die gemessenen Signalformen zunächst alles andere als ideal. Am Ausgangsbus zeigten sich erhebliche Überschwinger und Oszillationen, zudem kam es zu Reflexionen in die Gate-Schaltung.

Bei derart hohen Strömen und Leistungen bringen die Vorteile von SiC-Transistoren und -Dioden - kurze Schaltzeiten und keine Rückwärtserholung (Reverse Recovery) - auch neue Herausforderungen mit sich. Es geht darum, die Sys-tem-interaktion zu kontrollieren und Performance-Einbußen zu vermeiden. Bei unserem Modul sind di/dt-Werte im Bereich von 5 A/ns bis 8 A/ns und du/dt-Werte im Bereich von 10 V/ns bis 50 V/ns nicht ungewöhnlich.

Diese Transienten rufen Resonanzen in der Streuimpedanz der Leistungsschaltung und den Kapazitäten der aktiven Bauteile hervor, die zu einer inakzeptablen Modulperformance führen. Zur Eindämmung der Oszillationen wurde der DC-Bus des Halbbrückenmoduls intern mit einem RC-Snubber beschaltet. Dadurch verbesserte sich die Signalqualität deutlich.

Halbbrücken-Messungen

Auf der Gate-Seite der Schaltung können beim Schalten mit hoher Slew-Rate weitere Nebeneffekte auftreten. Da die Kapazitäten CGD und CGS des VJFET (ähnlich wie bei MOSFETs) einen kapazitiven Spannungsteiler bilden, kann ein hohes du/dt am Drain des unteren Schalters einen Stromfluss durch diesen Spannungsteiler und die Gate-Schaltung hervorrufen, was dazu führen kann, dass der obere Schalter unerwünscht durchschaltet.

Dieser Querstrom-Effekt kann die Modulverluste erhöhen und auch potenziell zerstörerische Ströme in der Gate-Schaltung hervorrufen. Die resultierende effektive Gate-Spannung kann näherungsweise nach der folgenden Gleichung berechnet werden: UGS‘ = RG,Total · CGD · du/dt. SiC-Schalter sind wegen ihrer kleineren Chip-Abmessungen (größerer RG) und der größeren CGD pro Flächeneinheit bei gegebener Spannungsspezifikation tendenziell anfälliger für Querstrom-Effekte.

Bei diesem Modul (mit RG,INT etwa 1 Ω, CGD ungefähr 400 pF) verursacht ein schnelles du/dt von 20 V/ns einen Anstieg der Gate-Source-Spannung auf 8 V. Dieser Wert liegt um einiges über der Schwellenspannung Uth von zirka 1 V. Um Querstrom-Effekte zu verhindern, wurden zusätzliche Gate-Source-Kondensatoren in unmittelbarer Nähe des Chips angebracht und alle Messungen bei einer negativen Gate-Spannungsschiene von UGS von -13 V durchgeführt. Die Gate-Oszillationen ließen sich mithilfe eines zusätzlichen kleinen RC-Snubbers über den Gate-Source-Kondensatoren noch weiter verringern.

Verlustwerte bleiben konstant niedrig

Energieverlust-Messungen bei verschiedenen Lastströmen und Temperaturen ergaben bei einem Laststrom von 100 A für die Ein- und Ausschaltenergien (EON, EOFF) Werte von 600 µJ beziehungsweise 650 µJ. Daraus resultiert ein Gesamtverlust ESW von 1,25 mJ. Man beachte, dass im Drain-Strom sowohl die VJFET- als auch Snubber-Stromanteile enthalten sind, da die Messung an den Modulanschlüssen erfolgte.

Zum Vergleich mit anderen Technologien: Diese Ergebnisse sind fünf bis zehn mal besser als bei Silizium-IGBT-Modulen; die Verluste sind um 45 Prozent niedriger als die besten bisher veröffentlichten Ergebnisse von SiC-MOSFET-Modulen. Weil es sich um ein unipolares Bauteil handelt, sind sowohl EON als auch EOFF temperaturunabhängig und haben über den gesamten gemessenen Strombereich niedrige Werte.

Über die Autoren:

Dr. Jeff Casady ist Mitgründer und CTO von Semisouth Laboratories, Dr. David Sheridan ist dort Director of Engineering.