Sperrspannungen von 650, 900 und 1200 V SiC-MOSFETs nehmen Super-Junction-MOSFET-Anwendungen ins Visier

Basierend auf SiC-MOSFETs mit Trench-Struktur, hat Rohm Semiconductor ein rein SiC-basiertes Power-Modul entwickelt (BSM180D12P3C007), das auch SiC-Schottkydioden enthält. In der 1200-V-Ausführung bietet das Modul einen Nennstrom von 180 A.
Basierend auf SiC-MOSFETs mit Trench-Struktur, hat Rohm Semiconductor ein rein SiC-basiertes Power-Modul entwickelt (BSM180D12P3C007), das auch SiC-Schottkydioden enthält. In der 1200-V-Ausführung bietet das Modul einen Nennstrom von 180 A.

Mit 650- und 900-V-SiC-MOSFETs nähern sich Hersteller wie Rohm Semiconductor und Cree Applikationsbereichen an, die neben IGBTs bislang auch von Super-Junction-MOSFETs bedient wurden. In Zukunft dürften wohl noch mehr SiC-MOSFETs mit Sperrspannungen unter 1200 V auf den Markt kommen.

Als erster Leistungshalbleiter-Hersteller der Welt hat Rohm Semiconductor damit begonnen, SiC-MOSFETs mit Trench-Struktur zu fertigen. Diese sogenannten SiC-MOSFETs der 3. Generation weisen im Vergleich zu planaren SiC-MOSFETs bei gleicher Chipgröße einen nur halb so großen Einschaltwiderstand auf. Anbieten wird Rohm die SiC-Trench-MOSFETs vorerst als 1200- und 650-V-Ausführungen. Eine 1700-V-Version befindet sich noch in Vorbereitung.  
Zur Produktion setzt das Unternehmen bei diesen SiC-MOSFETs der 3. Generation eine proprietäre Struktur ein, die das im Trench-Gate-Teil erzeugte elektrische Feld eindämmt. Neben der Reduzierung des Einschaltwiderstands um 50 Prozent gegenüber planaren SiC-MOSFETs verringert die Trench-Struktur der Bauteile auch die Eingangskapazität um etwa 35 Prozent. Im Resultat zeichnen sich die neuen Trench SiC-MOSFETs durch verbesserte Schalteigenschaften aus. Durch die Kombination sehr geringer Verluste und hoher Schaltgeschwindigkeiten ergibt sich eine deutlich verbesserte Performance. Der dadurch erzielte höhere Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung und die Vermeidung von Ausschuss tragen zu vermehrter Miniaturisierung, geringerem Gewicht und größeren Energieeinsparungen in Equipment unterschiedlichster Art bei.

Rohm hat zudem ein rein SiC-basiertes Power-Modul auf den Markt gebracht, das auf den Trench-SiC-MOSFETs basiert. Das Modul BSM180D12P3C007 enthält die Trench-SiC-MOSFETs in einer 2-in-1-Schaltung zusammen mit integrierten SiC-Schottky-Dioden. Spezifiziert ist das Modul für 1200 V / 180 A. Es weist den gleichen Nennstrom auf wie Silizium-basierte IGBT-Module. Die Produktpalette soll noch um zwei Module mit Nennströmen von 118 A (650 V) und 95 A (1200 V) erweitert werden.

Als erster Leistungshalbleiter-Hersteller hat Cree Power vor kurzem einen SiC-MOSFET mit 900 V Sperrspannung auf den Markt gebracht. Zielmarkt für diese auf hohe Schaltfrequenzen optimierten Leistungshalbleiter sind Wechselrichter für erneuerbare Energien, Ladesysteme für Elektrofahrzeuge und Dreiphasen-Industriestromversorgungen. Auf dem Kostenniveau siliziumbasierter Lösungen schafft die neue 900-V-SiC-Plattform die konzeptionellen Voraussetzungen für eine neue Generation von Umrichtersystemen, die kleinere Abmessungen mit einem höheren Wirkungsgrad verbinden. »Gegenüber vergleichbaren Silizium-MOSFETs erschließen diese 900-V-SiC-MOSFETs ein neues Marktsegment«, versichert Guy Moxey, Senior Marketing Director Power Products bei Cree, »denn sie erweitern den Leistungsbereich, den wir in den Endsystemen adressieren können«.

Konkret wendet sich auch Cree Power mit den neuen SiC-MOSFETs gegen die für niedrige Spannungen konzipierten Super-Junction-MOSFETs auf Silizium-Basis. Power-Designern bietet die neue Plattform die Möglichkeit, mit kleineren, schnelleren, weniger Wärme erzeugenden und effizienteren Power-Lösungen auf den Markt zu kommen. So lassen sich mit den 900-V-SiC-MOSFETs Anwendungssegmente angehen, in denen eine höhere Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis wünschenswert ist. Als Leitprodukt der neuen Spannungsklasse fungiert das C3M0065090J. Es hat mit 65 mΩ den niedrigsten RDSon-Wert aller derzeit angebotenen 900-V-MOSFETs. Neben den Gehäuseversionen TO247-3 und TO220-3 sind die 900-V-SiC-MOSFETs auch im oberflächenmontierbaren D2Pak-7L-Gehäuse mit geringer Impedanz lieferbar. Eine Kelvin-Verbindung im Gehäuse trägt dazu bei, Oszillationen am Gate zu minimieren. Zudem wurde die Kriechstrecke des Gehäuses auf über 7 mm erhöht. Es eignet sich damit optimal für Hochspannungsanwendungen ohne zusätzliche Isolation der Pins.

Zu den Gründen, warum siliziumbasierte 900-V-MOSFETs nur begrenzt für den Einsatz in Schaltungen mit hohen Schaltfrequenzen geeignet sind, gehört der Umstand, dass sich ihr RDSon über die Temperatur um den Faktor 3 erhöht. Spezifiziert ist der C3M00665090J für 32 A, er weist einen RDson-Wert von 65 mΩ auf. Bei höheren Temperaturen bis +150 °C steigt sein RDSon nur auf 90 mΩ.

Und was tun die anderen Hersteller im SiC-MOSFET-Bereich? STMicroelectronics hat sein SiC-MOSFET-Spektrum bereits im 1. Quartal dieses Jahres mit dem SCT20N120 erweitert. Für 1200 V spezifiziert, bietet der Schalter einen Einschaltwiderstand von besser als 290 mΩ bei einer maximalen Sperrschichttemperatur von +200 °C. Ein zusätzlicher Vorteil des Bausteins ist das proprietäre HiP247-Gehäuse. Seine thermische Effizienz lässt einen zuverlässigen Betrieb bei Temperaturen bis +200 °C zu. Wie Mario Aleo, Group Vice President der Power Transistor Division von STMicroelectronics, ankündigte, wird das Unternehmen seine SiC-MOSFET-Palette noch in diesem Jahr ausbauen. Details zu seiner weiteren Strategie im Bereich SiC-MOSFETs will das Unternehmen in den nächsten Monaten veröffentlichen.

Und was macht Infineon Technologies? Nachdem das Unternehmen zu Beginn auf SiC-JFETs gesetzt hat, arbeitet man dort derzeit daran, die Entwicklungsanstrengungen im Bereich SiC-MOSFETs voranzubringen. Erste Früchte dieser Bemühungen dürfte man wohl in knapp einem Jahr zu Gesicht bekommen.