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Für extreme thermische Bedingungen

Robuste Leistungselektronik mit SiC

27. Januar 2025, 16:00 Uhr | Von Abdus Sattar, Nexperia

Zuverlässig Höchstleistungen auch bei Temperaturen bis +175 °C - bei diesen Rahmenbedingungen führt kein Weg an SiC-MOSFETs vorbei.

Hohe Leistungsdichten führen zu hohen Betriebstemperaturen, aber was bedeutet das für SiC-MOSFETs in Bezug auf kritische Parameter wie VGS(th), RDS(on), IDSS oder IGSS? Dieser Artikel liefert Empfehlungen zu diesen kritischen Parametern bei Temperaturen bis zu 175 °C.

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Die höchstmögliche Leistungsdichte zu erzielen, wird zu einer immer wichtigeren Anforderung für Anwendungen wie DC/DC-Leistungswandler, Onboard-Ladegeräte (OBC) in Elektrofahrzeugen (EV), industrielle Motorantriebe, Solarwechselrichter und Traktionswechselrichter. Diese Entwicklung führt zu steigenden Betriebstemperaturen der Systeme und erfordert den Einsatz von Komponenten, die auch bei Temperaturen von bis zu 175 °C zuverlässig arbeiten. Bauelemente, die auf Materialien mit breiter Bandlücke (Wide Bandgap; WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) basieren, erfüllen diese Anforderung und gewinnen in solchen Anwendungen zunehmend an Bedeutung.

Cool bleiben, wenn‘s heiß hergeht

Bei hohen Temperaturen zeigen jedoch selbst SiC-MOSFETs ein komplexes Verhalten, das auf subtile Schwankungen kritischer Parameter wie VGS(th) (Gate-Schwellenspannung), RDS(on) (Einschaltwiderstand), IDSS (Drain-Source-Leckstrom) und IGSS (Gate-Source-Leckstrom) zurückzuführen ist. Werden die Schwankungen nicht sorgfältig berücksichtigt, können sie unerwartete Ausfälle von Leistungselektroniksystemen verursachen. In den Datenblättern der Hersteller sind im Allgemeinen keine Informationen über die Wechselwirkungen der verschiedenen Parameter, insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen, zu finden. Der vorliegende Artikel behandelt diese Problematik, indem er Empfehlungen für den Umgang mit den kritischen Parametern beim Design eines SiC-basierten DC-DC-Leistungswandlers gibt, der für den Betrieb bei Temperaturen von bis zu 175 °C ausgelegt ist.

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Nutzung des SiC-Vorteils

SiC-MOSFETs bieten gegenüber herkömmlichen Silizium-MOSFETs und Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) erhebliche Vorteile bei hohen Spannungen und Temperaturen. Diese Eigenschaften machen sie zur idealen Wahl für Anwendungen in der Automobilindustrie, bei erneuerbaren Energien und in industriellen Anwendungen. Ingenieure testen ihre Bauelemente in der Regel unter Anwendungsbedingungen und versuchen, die Leistungsgrenzen des Bauelements auszuloten, um die maximal mögliche Leistung unter Berücksichtigung aller Derating-Faktoren zu erzielen; das thermische Design ist eine dieser Grenzen. Nexperia testet die Leistungsparameter seiner Bausteine umfassend mit Hilfe von Standard-Testmethoden. Dazu wird ein Doppelpulsaufbau zum Testen von -Bauteilparametern wie RDS(on), VGS(th), IGSS und IDSS und zur Bewertung der Schaltleistung verwendet. Die IV-Kurven werden mit dem Keysight B1505 Power Device Analyzer erstellt.

Um den Betrieb des Wandlers bei hohen Temperaturen zu optimieren, ist bei der Auslegung der RDS(on) Wert des Bauteils der erste zu berücksichtigende Parameter. Im folgenden Abschnitt werden Nexperia-Bauelemente mit einigen Wettbewerberprodukten verglichen und dabei Variationen der RDS(on)-Parameter innerhalb des streng kontrollierten Herstellungsprozesses analysiert, um die überlegene RDS(on)-Stabilität der Nexperia-Bauelemente aufzuzeigen. Bild 1 zeigt die Temperaturabhängigkeit von RDS(on) und vergleicht Nexperia mit Wettbewerbern. Die rote Linie, die das Nexperia-Bauteil darstellt, zeigt eine 38-prozentige Erhöhung von RDS(on), während die blauen Linien, die die Wettbewerber C und E repräsentieren, eine Erhöhung von über 180 Prozent beziehungsweise 210 Prozent anzeigen. Ein Anstieg von RDS(on) korreliert direkt mit einer höheren Leitungsverlustleistung, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

PLeitungsverlust=I2 · RDS(on)

Wenn sich der RDS(on)-Wert verdoppelt, verdoppeln sich auch die Leitungsverluste, was zu einer erhöhten Wärmeentwicklung innerhalb des Bauelements führt. Dies kann das Bauelement an seine thermischen Grenzen bringen und das Risiko eines Ausfalls deutlich erhöhen.

Tabelle 1 zeigt die experimentellen RDS(on)-Messergebnisse mehrerer 1200-V-SiC-MOSFETs mit 40 mΩ, darunter Nexperia und fünf Wettbewerber (Comp A-E). Aus den Daten geht hervor, dass der 40-mΩ-SiC-MOSFET von Nexperia den stabilsten RDS(on)-Parameter über einen Temperaturbereich von 25 °C bis 175 °C aufweist. Dabei sind die RDS(on)-Steigerungen mit den Stabilitätsindikatoren 1,27 und 1,55 niedriger als die der fünf führenden Wettbewerber.

Ergebnis einer Wirkungsgradmessung bei hohen Temperaturen

Aus praktischer Sicht kann ein signifikanter Anstieg von RDS(on)bei erhöhten Temperaturen die Verlustleistung und den Wirkungsgrad eines Systems stark beeinträchtigen, wie in Bild 2, dem Ergebnis einer Wirkungsgradmessung bei hohen Temperaturen, zu sehen ist. Dies hat direkt Auswirkungen auf die allgemeine Zuverlässigkeit des Systems. Diese RDS(on)-Stabilität macht deutlich, dass die Komponenten von Nexperia auch unter anspruchsvollen Bedingungen eine höhere Effizienz bieten.

Verhalten von RDS(on) bei verschiedenen Temperaturen

Bild 3a veranschaulicht das Verhalten von RDS(on) bei verschiedenen Temperaturen: Auf der x-Achse ist RDS(on) in Milliohm aufgetragen, und die y-Achse zeigt die prozentuale Änderung vom 2. bis zum 98. Perzentil. Durchgeführt wurden die Tests mit 25 Prüflingen bei VGS = 15 V, und decken einen Temperaturbereich von -55 °C bis 175 °C ab. Jede Linie steht für eine bestimmte Temperatur und verdeutlicht die Variabilität von RDS(on). Bei höheren Temperaturen verbessert sich die Stabilität von RDS(on) mit Standardabweichungen um 1,20 mΩ im Bereich von 125 °C bis 175 °C. Dies gewährleistet ein gleichbleibendes Verhalten unter thermischer Belastung und verringert das Risiko variierender Leistungsverluste. Die hohe Temperaturstabilität von RDS(on) trägt zu einer verbesserten Leistungseffizienz bei, wie in Bild 2 dargestellt.

Ein zweiter Parameter von Interesse ist VGS(th). Eine genaue Einstellung dieses Parameters unterstützt die statische und dynamische Stromaufteilung zwischen mehreren Bauteilen. Bild 3b bietet eine detaillierte Visualisierung des VGS(th)-Verhaltens über einen breiten Temperaturbereich (-55 °C bis 175 °C), wobei die x-Achse die VGS(th)-Werte in Volt und die y-Achse die prozentuale Änderung von VGS(th) vom 2. bis zum 98. Perzentil darstellt. Jede farbige Linie im Diagramm entspricht einem bestimmten Temperaturergebnis, wodurch deutlich wird, wie VGS(th) mit der Temperatur variiert. Durchschnittswert und die Standardabweichung sind mit Av und S gekennzeichnet. Gemessen wurde die stabilste Schwellenspannung bei 175 °C, mit der geringsten Standardabweichung von S= 56,26 mV. Dagegen trat die höchste Schwankung von VGS(th) bei -55 ° C auf, mit einer Standardabweichung von S= 85,78 mV.

Die Bilder 4a und b zeigen die laufenden Tests von IDSS und IGSS mit 75 Bauteilen und die deutlichen Unterschiede der Testdaten zwischen den niedrigeren Temperaturen (-55 °C, 25 °C und bis zu 125 °C) und den höheren Temperaturen (150 °C oder 175 °C), die auf die Temperaturabhängigkeit der Leckströme zurückzuführen sind. Bei Temperaturen bis zu 150 °C sind die IDSS-Werte bei 72 Proben sehr niedrig (<200 nA), während sie bei 175 °C zwischen 400 nA und 800 nA liegen, was innerhalb der Nennwerte der Bauteile bleibt. In ähnlicher Weise liegen die IGSS-Testdaten bei 175 °C bei <10 nA und damit innerhalb der Nennwerte des Bauteils.

Entscheidend für die Bewertung der Leistung der Bauelemente bei +175 °C ist die Analyse des dynamischen Schaltverhaltens. Zu diesem Zweck wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Bauelemente in einer Doppelpuls-Konfiguration mit den jeweils empfohlenen Gate-Source-Spannungswerten und externen Gate-Widerständen (RGext) gemäß den Angaben in den Datenblättern getestet. Bild 5 zeigt typische Ein- und Ausschaltverläufe für das 40-mΩ-Bauelement von Nexperia.

Schlussfolgerung und Ausblick

Bei erhöhter Temperatur, vor allem bei 150 °C oder 175 °C, zeigen die 1200-V-SiC-MOSFETs von Nexperia eine hohe RDS(on)-Stabilität, geringe Schwankungen von VGS(th), IGSS und IDSS, geringere Schaltverluste und einen höheren Wirkungsgrad in dem in Bild 2 dargestellten DC/DC-Wandler. Diese Konsistenz ist besonders vorteilhaft bei anspruchsvollen Anwendungen wie Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge, Stromversorgungssystemen für die Luft- und Raumfahrt, Stromnetzen, industriellen Motorantrieben und anderen Hochtemperaturanwendungen, bei denen Leistungsstabilität von größter Bedeutung ist.

Laufende Tests für 17, 30, 60 und 80 mΩ, 1200 V SiC-MOSFETs umfassen statische Eigenschaften, dynamisches Schalten und DC/DC-Wandlertests, um die Effizienzverbesserung bei 175 °C zu zeigen. Ziel ist es, einen umfassenden Datensatz des statischen und dynamischen Verhaltens zu erstellen. Diese Analyse ermöglicht eine weitere Optimierung dieser Bauteile, sodass sie für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind, bei denen eine gleichbleibendes Verhalten, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind.