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Vierte Generation an SiC-Transistoren

01. Dezember 2020, 08:55 Uhr   |  Ralf Higgelke

Vierte Generation an SiC-Transistoren
© UnitedSiC

Die vierte Generation der auf einer Kaskode beruhenden SiC-JFETs von UnitedSiC haben eine Sperrspannung von 750 V.

Mit vier Bauteilen mit 750 V Sperrspannung eröffnet UnitedSiC die vierte Generation ihrer auf einer Kaskode beruhenden SiC-JFETs. Besondere Anwendungsfelder sind Anwendungen mit 400 V bis 500 V Busspannung, also die Elektromobilität und Stromversorgungen in Serverfarmen.

Vier neue SiC-JFETs von UnitedSiC, die auf der SiC-Technologieplattform der vierten Generation (Gen4) basieren, sind mit zwei verschiedenen Durchlasswiderständen (18 mΩ und 60 mΩ) und zwei Gehäuseoptionen (TO247-3L und TO247-4L) erhältlich. Durch höhere Nennspannungen von 750 V bieten die neuen SiC-FETs mehr Spielraum bei der Entwicklung und weniger Designeinschränkungen – vor allem bei Anwendungen mit eine Batterie- bzw. Busspannung von 400 V oder 500 V.

UnitedSiC, Silicon Carbide
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Bild 1: Der flächenbezogene Durchlasswiderstand der neuen Gen4-SiC-FETs von UnitedSiC im Vergleich zu Konkurrenzprodukten mit 650 V Nennspannung.

Trotz der höheren Nennspannung ist die Zellendichte bei den Gen4-Bausteinen so hoch, dass der flächenspezifische RDS(on), also der Durchlasswiderstand pro Flächeneinheit, kleiner ist. Durch die fortschrittliche gesinterte Chip-Befestigungstechnologie (Die Attach) erreichen die Transistoren Nennströme von 21 A bzw. 60 A, weil sie thermisch höher belastbar sind. Bild 1 zeigt den spezifischen Durchlasswiderstand der neuen 750-V-Bauelemente im Vergleich zu SiC-Wettbewerbsprodukten mit einer Nennspannung von 650 V.

Auch die einfache Anwendung im Design spielt bei den Gen4-Schaltern eine wichtige Rolle. Alle Bausteine können sicher mit Standard-Gate-Treiberspannungen von 0 V bis 12 V oder 15 V betrieben werden. Die tatsächlichen Schwellenspannung Uth von 5 V gewährleistet eine hohe Störsicherheit gegen parasitäres Einschalten (Parasitic Turn-on). Wie schon die Bauteile früherer Generationen von UnitedSiC können diese neuen SiC-FETs mit allen typischen Treiberspannungen für Silizium-IGBTs, Silizium-MOSFETs und SiC-MOSFETs betrieben werden und verfügen über eine integrierte ESD-Klemmschaltung.

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Bild 2: Die Kennzahl (Figure of Merit) für hart schaltende Topologien (RDS(on) × Eoss) der neuen Gen4-SiC-FETs von UnitedSiC im Vergleich zu Konkurrenzprodukten mit 650 V Nennspannung.

Zusammen mit einem niedrigen Durchlasswiderstand bieten diese neuen SiC-FETs niedrigere Verluste und damit einen höheren Wirkungsgrad sowohl in hart schaltenden als auch in weich schaltenden Schaltungen. In hart geschalteten Schaltungen wie einer Totem-Pole-PFC oder normalen 2-Level-Umrichtern sorgen der niedrige spezifische Durchlasswiderstand und die niedrige Ausgangskapazität zusammen mit der im Niederspannungs-Si-MOSFET gespeicherten Ladung von nahezu Null für eine ausgezeichnete Rückwärtserholladung (Reverse Recovery Charge, Qrr) und einen niedrige Energie in der Ausgangskapazität des Bauteils Coss. Bild 2 illustriert den Vorteil der 750-V-FETs von UnitedSiC  gegenüber Konkurrenzprodukten mit einer Nennspannung von 650 V; dargestellt ist die Kennzahl (Figure of Merit; FoM) für hart schaltende Topologien: RDS(on) × Eoss.

UnitedSiC, Silicon Carbide

Durch die JFET-Struktur bieten die Schaltelemente auch ein niedrige Durchlassspannung UF der parasitären Body-Diode von maximal 1,75 V. Dies minimiert die Sperrverzögerung und die Totzeitverluste und maximiert dadurch den Wirkungsgrad zusätzlich. Eine externe antiparallele Freilaufdiode ist damit unnötig.

Durch die Erweiterung des Angebots von UnitedSiC auf 750 V bieten die neuen SiC-FETs mehr Spielraum bei der Entwicklung und weniger Designeinschränkungen. Die höhere UDS-Bewertung macht diese FETs auch für Anwendungen mit 400/500 V Busspannung vorteilhaft. Über einen weithin kompatiblen Gate-Treiber mit ±20V und einer Schwellenspannung Uth von 5V lassen sich die neuen Bauteile mit Gate-Spannungen von 0 bis +12V betreiben. Sie können somit mit vorhandenen SiC-MOSFET-, Si-IGBTs- und Si-MOSFET-Gate-Treibern arbeiten.

UnitedSiC stellt vierte Generation an SiC-Transistoren vor

UnitedSiC, Silicon Carbide
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Anup Bhalla, Vice President Engineering bei UnitedSiC, ergänzt: »Diese Bauelemente bewältigen die Herausforderungen, mit denen Entwickler in verschiedenen Branchen mit High-Voltage- und Hochleistungsanforderungen konfrontiert sind – von der DC-DC-Wandlung und dem On-Board-Laden über die Leistungsfaktorkorrektur bis hin zu Solarwechselrichtern.«

Bhalla weiter: »Wir werden in den nächsten neun Monaten viele neue Gen4-Bauelemente ankündigen, die die Kosteneffizienz, die Wärmeeffizienz und den Entwicklungsspielraum weiter verbessern. Dies unterstützt alle Branchen, um die Herausforderungen bei ihrer Serienfertigung zu bewältigen und Neuerungen voranzutreiben.«

Die Preise (ab 1000 Stück) für die neuen Gen4-SiC-FETs reichen von 3,57 US-Dollar für den UJ4C075060K3S bis 7,20 US-Dollar für den UJ4C075018K4S. Alle Bauelemente sind über autorisierte Distributoren erhältlich.

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