Schwerpunkte

Charakterisierung von SiC-MOSFETs

Schalteigenschaften verstehen lernen

28. Oktober 2019, 16:30 Uhr   |  Von Levi Gant


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Gate-Treiber-Design

Der Gate-Treiber hat zwei Hauptaufgaben: das stabile und gut kontrollierte Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter und den Schutz der Leistungsstufen bei Bedarf. Allerding können diese Aufgaben ohne eine geeignete Auslegung und Integration des Gate-Treibers mit der Leistungsstufe schwierig sein. Häufige Probleme sind unnötige Schaltverluste, Überschwingen und Oszillieren der Gate-Spannung sowie EMV aus dem Stromkreis, der zur Fehlfunktion des Steuerkreises führt. Selbst ein geringes Niveau der Common-Source-Induktivität (LCSI) widersteht schnellen Stromänderungen und erhöht die Schaltverluste.

Bei Vorhandensein einer hohen Gate- und Quellschleifeninduktivität (LG und LS) können hohe di/dt-Werte zu Überschwingungen in der Spannung führen, die am Gate des Gerätes auftreten. Schwingungen in der Gate-Spannungswellenform können zu unbeabsichtigtem Einschalten und damit zu Durchschussereignissen führen. Wiederholte Ausschläge von zu hoher Spannung auf dem Gate können zudem die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Gerätes beeinträchtigen.

Bewährte Praktiken zur Optimierung des Designs und der Integration der Gate-Treiber-Schaltung beinhalten die Reduzierung der Auswirkungen der induktiven Kopplung zwischen Gate- und Stromschleifen. Wenn möglich, sollten diese beiden Schleifen in orthogonale Ebenen gelegt werden. Genau wie bei der Optimierung der Stromschleife ist der gesamte Gate-Loop-Bereich durch eine Kombination aus Laminierung und Verkürzung der Pfadlängen zu minimieren. Um schließlich die Common-Source-Induktivität zu reduzieren, sollten Gate- und Stromschleifen entkoppelt werden. Dazu lassen sich Gehäuse mit einer dedizierten Kelvin-Quelle verwenden, wie Vierleiter-TO-247 oder Siebenleiter-TO-263.

Charakterisierung von Bauelementen

 Blockschaltbild eines Doppelpulstestsystems
© Littelfuse

Bild 2. Blockschaltbild eines Doppelpulstestsystems.

Doppelpulstests (Bild 2) bieten eine Möglichkeit, die Schaltleistung eines SiC-Geräts zyklusweise genau zu bewerten. Bei einem Doppelpulstest wird eine induktive Last parallel zu einer Freilaufvorrichtung in der oberen Schalterstellung einer Halbbrücken- oder Phasenbeinanordnung platziert. Während der Abschaltung des Prüflings bilden diese Elemente den Freilaufpfad für den Strom.

Das Messobjekt nimmt die untere Schalterstellung ein. Diese Testkonfiguration ist nützlich für die Untersuchung von Schaltenergie und Gate-Ladequalitäten des Prüfteiles. Die Wellenformen sind die Gate-Source-Spannung (VGS), die Drain-Source-Spannung (VDS) und der Drainstrom (ID). Wie sein Name schon sagt, besteht der Doppelpulstest darin, das Gerät zweimal einzuschalten. Die Breite des ersten Einschaltimpulses bestimmt in Verbindung mit dem Induktorwert und der Busspannung die Stromamplitude durch das Gerät beim Ausschalten.

In der Zeit zwischen dem ersten und zweiten Einschaltimpuls zirkuliert die im Induktor gespeicherte Energie durch die Freilaufvorrichtung. Dadurch kann das Gerät den gleichen Satz von Betriebsparametern während der steigenden Flanke des zweiten Impulses, dem Einschalten, erkennen.

Ergebnisse eines Doppelpulstests
© Littelfuse

Bilder 3a,b,c. Ergebnisse eines Doppelpulstests.

Die Bilder 3a, b und c zeigen die Ergebnisse eines Doppelpulstests, der mit einer DC-Busspannung von 800 V und einem Gerätestrom von 20 A durchgeführt wurde. Bild 3a zeigt die aufgenommenen Wellenformen aus dem Doppelpulstest (10 μs/div). In Bild 3b wird der vergrößerte Abschnitt der darüber liegenden Wellenformen dargestellt, die den abschaltbaren tran­sienten Wellenformen (50 ns/div) entsprechen. In Bild 3c ist der vergrößerte Abschnitte der oberen Wellenform zu sehen, die den Einschaltwellenformen (50 ns/div) entsprechen.

Bei diesem Test trennen spannungs­gesteuerte Relais die Gleichstrom­versorgung – positive und negative Schienen – vom Testaufbau. Die Gleichstrom-Verbindungskapazität ist so bemessen, dass sie die gewünschte Busspannung während des gesamten Tests beibehalten kann, nachdem sie von der Gleichstromversorgung getrennt wurde.

Dies verbessert die Messbedingungen, indem das Risiko des Rauschens bei transienten Ereignissen, die durch Erdschleifen verursacht werden, minimiert wird. Wenn das System keinen DC-Link-Kondensator aufnehmen kann, der groß genug ist, um eine Trennung von der Gleichspannungsversorgung zu ermöglichen, muss die DC-Link-Kapazität  immer noch groß genug sein, um die Gleichspannung während der Geräteschaltung aufrechtzuerhalten.

Die hohe Schaltgeschwindigkeit von SiC-MOSFETs bedeutet, dass die dv/dt- und di/dt-Werte unter bestimmten Testbedingungen 80 V/ns beziehungsweise 5 A/ns überschreiten können. Da diese Geräte innerhalb von dutzenden Nanosekunden ein- und ausschalten, müssen die Messsonden über eine ausreichende Bandbreite, eine gute Dynamik und eine geringe Ladekapazität verfügen.

Nachbearbeitung von Wellenformen

Doppelpulstest-Wellenformen, die mit Matlab während der Nachbearbeitung aufgezeichnet wurden
© Littelfuse

Bild 4. Doppelpulstest-Wellenformen, die mit Matlab während der Nachbearbeitung aufgezeichnet wurden.

Zum Beispiel bildet Matlab ein geeignetes Werkzeug zur Bestimmung der Zahlenwerte von Geräteschalteigenschaften. Sobald die vom Oszilloskop erfassten Rohdaten importiert sind, müssen die VDS- und ID-Wellenformen ordnungsgemäß entzerrt werden. Bild 4 zeigt ein Beispiel für Diagramme, die für die Transientenspannung (VDS), den Strom (ID) und die momentane Leistung beim Einschalten und Ausschalten erzeugt wurden.

Aus diesen Wellenformen lassen sich Schaltenergieberechnungen und Schaltverhalten des Prüflings ableiten. Die Wellenformen zeigen an, dass während des Abschaltereignisses ein Überschwingen von ~70 V stattfindet, bei du/dt = 68,72 V/ns, di/dt = 1 A/ns und einem Abschaltverlust von ~60 μJ. Während des Einschaltereignisses findet ein Überschwingen von ~10 A statt, bei du/dt = 39,47 V/ns und di/dt = 5,2 A/ns. Der Einschaltverlust beträgt hier ~270 μJ. Die Werte der Schaltverluste wurden durch die Integration der aktuellen Leistung erhalten.

Die Doppelpulstechnik hat sich bei der Charakterisierung von SiC-MOSFET-Schaltverlusten sowie bei anderen typischen dynamischen Parametern wie Schaltzeiten, Gate-Ladung und Reverse Recovery bewährt.

Der Autor

Levi Gant von Littelfuse
© Littelfuse

Levi Gant von Littelfuse.

Levi Gant

ist seit Oktober 2017 als Technical Marketing Engineer, Power Semiconductor Products bei Littelfuse mit Sitz in Chicago, Illinois, tätig. Er absolvierte einen Bachelor- und Masterstudiengang in Elektrotechnik von der Universität von Alabama. Dort spezialisierte er sich auf SiC-Geräte und -Systeme. Vor seiner Position bei Littelfuse arbeitete Levi Gant bei Monolith Semiconductor Inc. in Round Rock, Texas.
LGant@Littelfuse.com

Seite 2 von 2

1. Schalteigenschaften verstehen lernen
2. Gate-Treiber-Design

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Littelfuse Automotive GmbH