Schaltenergien bestimmen

Kalorimetrie bei SiC-MOSFETs nutzen

21. März 2022, 15:00 Uhr | Von Michael Zimmermann, Bernhard Holzinger, Ryo Takeda und Takamasa Arai

Um den Wirkungsgrad zu bestimmen und das Wärmemanagement zu dimensionieren, ist es wichtig, die Verlustleistung zu kennen. Allerdings ist es nicht trivial, die Schaltenergie bei SiC-MOSFETs zu bestimmen. Über die kalorimetrische Methode lassen sich die verschiedenen Extraktionsmethoden vergleichen.

Bei SiC-MOSFETs (Siliziumkarbid) sind Schaltfrequenzen mit Hunderten von Kilohertz keine Seltenheit. Daher spielen, trotz gleichzeitig sinkender Einschaltwiderstände R_DS(on), die Schaltverluste P_S eine immer größere Rolle. Aus diesem Grund wird die Messung der Schaltenergie E_S im Vergleich zu IGBT-basierten Systemen immer wichtiger.

Je nach Art des Transistors – IGBT oder MOSFET – sind diese laut der IEC unterschiedlich definiert. Das Bauteil für den nachfolgend beschriebenen Test ist ein diskreter SiC-MOSFET, sodass die IEC 60747-8 als Grundlage für den Extraktionsalgorithmus dient.

Um die Schaltenergie zu extrahieren, wird das Produkt aus Drain-Strom I_D und Drain-Source-Spannung U_DS über ein bestimmtes Zeitintervall integriert. Start- und Endpunkt der Integration sind die Zeitpunkte, an denen die beiden Signalformen jeweils zehn Prozent der Testspannung bzw. des Teststroms durchlaufen. Für IGBTs ist die Definition laut IEC 60747-9 anders und führt zu deutlich längeren Integrationszeiten. Sie beginnen bei einer Gate-Emitter-Spannung U_GE von zehn Prozent bzw. bei 90 Prozent U_GE für das Einschalten bzw. Ausschalten und enden bei zwei Prozent der Versorgungsspannung Uccbzw. zwei Prozent des Kollektorstroms IC. Daher ist zu erwarten, dass die Schaltenergien beim IGBT im Vergleich zum MOSFET größer sind.

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Schnelles Schalten ist vorteilhaft, um die Verluste gering zu halten. Allerdings schwingen Spannung und Strom beim Schalten dann in der Regel stark nach (Ringing), was Probleme bei der Bestimmung des Integrationsendpunkts gemäß den IEC-Definitionen verursacht (Bild 1). Es gibt einige Möglichkeiten, die Norm zu interpretieren. Beispielsweise könnte der erste oder letzte »10-Prozent-Übergang« von U_DS oder I_D, der durch das Ringing verursacht wird, für die Integrationsendpunkte verwendet werden.

Dies führt aber zu unterschiedlichen Ergebnissen für E_S. Es besteht auch die Möglichkeit, die MOSFET-Norm überhaupt nicht zu befolgen. Als Referenz wird der IGBT-Standard ebenfalls anhand der letzten Übergänge berechnet (Tabelle 1). Wie erwartet, führt dies zu den höchsten berechneten Schaltenergien E_S in der Referenzmessung.

Grundlagen des kalorimetrischen Verfahrens

Ein Kalorimeter ist eine Messanordnung, mit der sich die während eines Prozesses freigesetzte oder absorbierte Wärmemenge bestimmen lässt. Kalorimeter gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen und sie können auch zur Messung der Verluste in einem Halbleiter durch Messung seiner Selbsterhitzung verwendet werden.

Das für diesen Test gewählte Kalorimeter ist ein selbst gebautes Metallblockkalorimeter (Bild 2). Der Metallblock erwärmt sich, wenn Wärme freigesetzt wird (Verlustleistung) und kühlt ab, wenn Wärme aufgenommen wird. In diesem Fall kann die Wärme nur vom Transistor abgegeben werden. Es ist wichtig zu beachten, dass nur der Prüfling, in diesem Fall der Transistor, in das Kalorimeter eingebaut werden sollte. Andernfalls würde die Verlustleistung anderer Komponenten in die Messung einbezogen werden, beispielsweise der Induktivität.

Das Kalorimeter lässt sich charakterisieren, indem man eine konstante bekannte Leistung anlegt und die Heizkurven mit einem Thermoelement misst. Dafür eignet sich die Body-Diode des MOSFET. Variiert man die im Transistorgehäuse abgegebene Gesamtleistung, so ergeben sich unterschiedliche Heizkurven mit charakteristischen Temperaturgradienten (Bild 3). Die Messungen eignen sich als Referenz, da das Erwärmungsverhalten das gleiche ist, unabhängig davon, ob die Leistung von der Body-Diode oder vom Transistor auf dem Chip abgeführt wird. Aufgrund der thermischen Trägheit (τ ≈ 3⋅10³ s) des Metallblocks des Kalorimeters kann die gepulste Verlustleistung im Kilohertz-Bereich genauso behandelt werden wie die konstante Verlustleistung.