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Siliziumkarbid-MOSFETs

Die neue Generation kann mehr

18. Oktober 2021, 8:00 Uhr | Christian Felgemacher, Felipe Filsecker, Vikneswaran Thayumanasamy, C. Fuentes, M. Murata, M. Terada, S. Kitagawa und A. Mashaly

Über die letzten gut zehn Jahre hat Rohm mehrere Generationen an Siliziumkarbid-MOSFETs vorgestellt. Was bei der neuen, vierten Generation verbessert wurde und welche Entwicklungsunterstützung es gibt, das wird im folgenden Beitrag beleuchtet.

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Im Jahr 2010 brachte Rohm seine ersten kommerziell erhältlichen Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) auf den Markt. Seitdem hat das Unternehmen diese Bauteile für den Spannungsbereich von 650 V bis 1700 V stetig weiterentwickelt. Fünf Jahre später führte Rohm die ersten kommerziell erhältlichen SiC-MOSFETs in Trench-Technologie ein. Und nun, im Jahr 2021, kommt eine neue Generation von SiC-Trench-MOSFETs auf den Markt. Sie soll Anwendern eine bessere Performance bieten und sich einfacher einsetzen lassen. Die Bauteile werden sowohl als ungehäuste Chips zum Einsatz in Power-Modulen als auch in Gehäusen wie TO-247, TO-247-4L und TO-263-7L verfügbar sein und in Spannungsklassen von 750 V und 1200 V erscheinen.

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Verbesserungen auf Bauteilebene

Ein Entwicklungsziel bei der vierten Generation bestand darin, den flächenspezifischen Durchlasswiderstand (R_DS(on)∙A) zu reduzieren. Dadurch sinken die Durchlassverluste bei gleicher Chipfläche.

Bild 1 zeigt die flächenspezifischen Durchlasswiderstände der drei Generationen der SiC-MOSFETs von Rohm, die kommerziell erhältlich sind. Zudem verläuft der R_DS(on) über die Gate-Spannung U_GS im Bereich zwischen +15 V und +18 V viel flacher, sodass sich das Bauteil sowohl mit +15 V als auch mit +18 V einschalten lässt.

Neben den Durchlassverlusten konnte Rohm auch das Schaltverhalten verbessern. Bild 2 zeigt die Schaltverluste für zwei SiC-MOSFETs mit einer Sperrspannung von 1200 V und vergleichbarem R_DS(on) bei +25 °C im TO-247-4L-Gehäuse. Mit den gewählten Konfigurationen der Gate-Ansteuerung ergeben sich sowohl beim Aus- als auch beim Einschalten vergleichbare Werte beim di/dt. Die Ergebnisse zeigen, dass für die vierte Generation die Schaltverluste um bis zu 45 Prozent sinken.

Die Verhältnisse der parasitären Kapazitäten der SiC-MOSFETs zueinander wurden bei der vierten Generation optimiert, um unerwünschte Effekte zu minimieren. Besonders hervorzuheben ist das Verhältnis von Gate-Source-Kapazität C_GS zu Gate-Drain-Kapazität C_GD, das nun viel größer ist. Folglich beeinflussen selbst sehr schnelle Spannungstransienten (dU_DS/dt), die durch Schaltvorgänge eines Kommutierungspartners in einer Halbbrücke auf den SiC-MOSFET wirken, die Gate-Spannung U_GS weniger. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass sich der SiC-MOSFET durch positive U_GS-Spitzen parasitär wieder einschaltet und dass negative Spannungsspitzen am Gate auftreten.