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Charakterisierung von SiC-MOSFETs

Schalteigenschaften verstehen lernen

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

Schalteigenschaften verstehen lernen
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Unerwünschte Probleme bei exakter Messung wichtiger SiC-MOSFETs werden entschärft und beschleunigt mit der Wide Ban Gab-Leistungshalbleiter-Anwendungen.

Schalttransienten und parasitäre Ströme können die exakte Messung wichtiger SiC-MOSFET-Betriebsparameter beeinträchtigen. Das Wissen über Ursache hilft Entwicklern, die Probleme schnell zu entschärfen und den Design-Prozess ihrer Wide Ban Gap (WBG)-Leistungshalbleiter-Anwendungen zu beschleunigen.

Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) werden häufig eingesetzt, da sie schnell schalten und gleichzeitig hohe Sperrspannungen aushalten können. Ihre überlegenen Schalteigenschaften haben aber auch potenzielle Nachteile. Parasitäre Induktivitäten, die durch nicht optimale Leiterplattenlayouts verursacht werden, können zu­sammen mit den schnellen dv/dt- und di/dt-Qualitäten des SiC-MOSFETs zu Spannungs- und Stromüberschwingen, Schaltverlusten und Systeminstabilitätsproblemen führen.

Um solche Schwierigkeiten zu vermeiden, müssen die Entwickler Schalteigenschaften von SiC-MOSFETs detailliert verstehen. Darüber hinaus führen die hohen Schaltgeschwindigkeiten von SiC-MOSFETs zu Schwierigkeiten bei der Charakterisierung der Bauelemente. Beispielsweise kann die Geräteauswahl die Prüf- und Messgenauigkeit beeinflussen. Die hochsensiblen Design- und Integrations­schemata der Antriebs- und Leistungsstufen spielen zudem eine wichtige Rolle, um Spannungsspitzen, EMV- und Schaltverluste zu minimieren.

Sicherstellung der Prüf- und Messgenauigkeit

Parasitäre Einflüsse auf das Gehäuse sowie den Schaltkreis, in Kombination mit dem schnellen Schalten von SiC-MOSFETs, erschweren die Charakterisierung der Bauteile. Die schnellen dv/dt- und di/dt-Verhältnisse verstärken unter anderem Messungenauigkeiten, Spannungs- und Strom-Werte. Ein hoher dv/dt-Wert kann große transiente Spannungsspitzen sowie Gleichtaktrauschen erzeugen, das in Form gedämpfter Schwingungen auftreten kann.

SiC-MOSFET LSIC1MO120E0080 von Littelfuse
© Littelfuse

Bild 1. SiC-MOSFET LSIC1MO120E0080 von Littelfuse.

Ein hoher di/dt-Wert erzeugt Rauschen, das sich möglicherweise mit nahegele­genen Magnetfeldern koppelt. Diese Effekte können schwer zu messen und zu diagnostizieren sein, deshalb bedarf es spezieller Werkzeuge und Testmethoden, um derartige Probleme auf­zudecken, bevor sie während der Produktqualifizierungsphasen auftreten oder zu einem frühen Ausfall führen. Zudem sind Werkzeuge mit außergewöhnlicher Bandbreite und Dynamik nötig, um SiC-Leistungsbauteile zu charakterisieren, welche die hohen Leistungen schnell schalten.

Spannungsmessgeräte und -techniken

Differenzsonden werden häufig für Hochspannungsmessungen dieser Art eingesetzt. Aber obwohl sie eine ein­gebaute galvanische Trennung haben, besitzen sie eine relativ begrenzte Bandbreite. Im Gegensatz dazu haben passive Spannungssonden eine ausreichende Bandbreite, aber keine galva­nische Trennung. Darüber hinaus sind viele passive Spannungssonden nicht für Hochspannungen ausgelegt.

In diesem Fall muss auch ein herkömm­licher Spannungsteiler in die Schaltung eingebaut werden, der eine weitere ohmsche Last darstellt. Alles in allem ist die beste Option für diese Spannungsmessungen eine passive Spannungssonde mit einer Nennspannung, die hoch genug ist, um hohe dv/dt-Tran­sienten zu erfassen.

Aktuelle Messgeräte und -techniken

Vier Methoden werden häufig zur Strommessung eingesetzt: eine Rogowski-Spule, eine aktive Stromsonde, ein Stromwandler oder ein koaxialer Stromnebenschluss. Jede Methode enthält sowohl Vor- als auch Nachteile. So sind beispielsweise eine aktive Stromsonde und eine Rogowski-Spule unauffällig, wenn es darum geht, sie in den Prüfkreis zu integrieren. Allerdings fehlt ihnen typischerweise die Bandbreite, um Strom-Ringingeffekte zu messen.

Ein Stromwandler dagegen besitzt wahrscheinlich genügend Bandbreite, um Ringing-Frequenzen zu erfassen. Jedoch muss der Strom durch einen Kern geleitet werden, was manchmal einen deutlichen Nachteil darstellt. Außerdem lassen sich keine Gleichstrommessungen durchführen – ein Nachteil, den er mit der Rogowski-Spule teilt. Auch der Stromnebenschluss erzeugt ein Problem in der Schaltung und ist nicht, wie die anderen drei Optionen, galvanisch getrennt. Aber er bietet oft den besten Weg, den Strom während der Charakterisierung zu messen, da er alle Frequenzen erfasst.

Es ist jedoch zu beachten, dass der Stromnebenschluss eine geringe Verlustleistung aufweist. Er ist daher nur für Messungen in gepulsten Tests geeignet und nicht für kontinuierlich betriebene Systeme.

Optimierung des Leiterplattenlayouts

Die meisten Schaltungen enthalten zwei Hauptkreise: die Gate-Drive-Schleife und die Stromschleife. In der Stromschleife werden hohe Spannungs- und Stromstärken sehr schnell geschaltet, was zu Spannungs- und Stromüberschreitungen und -schwankungen führt. Das Ausmaß hängt dabei von der Höhe der parasitären Induktivität und Kapazität im Stromkreis ab.

Design der Stromschleife

Ein wichtiges Problem bildet das Überschwingen der Spannung beim Abschalten. Dieses Überschwingen ist durch die Induktivität von di/dt und die Induktivität der Stromschleife gekennzeichnet. Eine hohe di/dt ist wünschenswert, daher müssen Entwickler die Induktivität der Stromschleife so gering wie möglich halten. Überschreitungen der Spitzenspannung, die sich der maximalen Nennspannung des Geräts nähern, erhöhen das Risiko eines Ausfalls. Wenn sich eine übermäßige parasitäre Induktivität in der Stromschleife nicht ver­meiden lässt, können die Entwickler gezwungen sein, die Schaltgeschwindigkeit der Geräte zu begrenzen oder eine mehrstufige Topologie zu im­plementieren. Jedoch erhöht das die Komplexität des Designs, sowie die Anzahl der Komponenten.

Eine weitere Herausforderung bilden die elektromagnetischen Störungen. Beim Schalten kann ein starkes Rauschen in den Stromwellenformen die Stromschleife in eine Antenne verwandeln, die Megahertz-Bandfrequenzen sendet. Diese Frequenzen können in andere Substromkreise einkoppeln und möglicherweise zu unbeabsichtigtem Einschalten und Durchschalten des Geräts, Fehlfunktionen in der Peripherie oder zu Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit führen.

Das erste Prinzip bei der Optimierung des Layouts der Stromschleife solltedarin bestehen, die Platine kompakt und einfach zu halten sowie den gesamten Bereich der Stromschleife zu minimieren. Das ideale Szenario wäre eine Stromschleife, welche überhaupt keinen Draht benötigt. Ein realistischeres Szenario ist eine Stromschleife, die sich im Stromkreis – auf einer anderen PCB-Schicht gespiegelt – überschneidet; was als Laminierung bezeichnet wird. In Bereichen der Stromschleife, in denen eine Laminierung nicht möglich ist, zum Beispiel die Stifte einer Durchgangslochkomponente, sollten die Stromführungen groß genug sein, um den Strom aufzunehmen, aber so kurz wie möglich, um eine kompakte Gesamtschleife zu erhalten.

Der Einsatz von Entkopplungskondensatoren bietet eine weitere Möglichkeit, um das Layout der Stromschleife zu optimieren. Der Prozess des Schaltens mit hohen Geschwindigkeiten erzeugt Oberwellen höherer Ordnung als die Schaltfrequenz (fs) und transientenbezogenen Frequenzen (ftrans), die weit in den Megahertz-Bereich reichen. Typischerweise wirkt der DC-Link-Kondensator wie ein Kerbfilter und eliminiert Schwingungen, die fs und seinen Oberwellen mit beträchtlicher Amplitude entsprechen. Er unterdrückt jedoch keine ftrans-Frequenzen, welche sich in benachbarte Leiterbahnen und Schaltungen einkoppeln können. Um die mit ftrans verbundenen Spitzen zu unterdrücken, sind relativ hochfrequente Folienkondensatoren über die DC-Verbindung einzusetzen und diese so nah wie möglich an den Leistungstransistoren zu platzieren. Damit lässt sich die zugehörige Schleifeninduktivität minimieren.

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2. Gate-Treiber-Design

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