Littelfuse / SiC-MOSFETs

Wie robust ist Siliziumkarbid im Kurzschlussfall?

14. Mai 2020, 10:30 Uhr | Dr. Xuning Zhang, Levi Gant und Gin Sheh

Der Einsatz von Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) kann Leistungsumrichter wesentlich effizienter machen. Allerdings stellt deren geringe Kurzschlussfestigkeit ihre Praxistauglichkeit infrage. Wie robust sind solche Bauteile eigentlich, und lässt sich das Problem schaltungstechnisch entschärfen?

Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) sind hinsichtlich ihrer Chipfläche sehr viel kleiner als äquivalente Silizium-IGBTs. Somit ist die Stromdichte im Kurzschlussfall bei ihnen etwa fünf- bis zehnmal höher, und die Wärmekapazität ist wesentlich niedriger. Dadurch steigt die Temperatur im Chip schneller an und begrenzt die Kurzschlussfestigkeit von SiC-MOSFETs.

Der Sättigungsstrom im Bauteil wiederum wird in erster Linie durch das Design des Kanalbereichs gesteuert. Um den On-Widerstand zu reduzieren, sind ein kürzerer Kanal und eine höhere Gate-Spannung im eingeschalteten Zustand von Vorteil. Allerdings steigt damit der Sättigungsstrom und die Kurzschlussfestigkeit sinkt weiter.

Dieser Kompromiss zwischen On-Widerstand und Kurzschlussfestigkeit ist dem Design von SiC-MOSFETs inhärent. Er lässt sich am besten durch das Design von Gate-Treibern entschärfen, die wesentlich schneller reagieren als herkömmliche Gate-Treiber für IGBTs. Dadurch lassen sich Designs mit SiC-MOSFETs realisieren, bei denen der On-Widerstand klein genug ist, ohne zu viel Chipfläche spendieren zu müssen.

Zerstörende Kurzschlussprüfung

Im Rahmen einer Studie wurde eine Testschaltung entwickelt, um die Kurzschlussfestigkeit des SiC-MOSFETs LSIC1MO120E0080 (1200 V/80 mΩ) von Littelfuse unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten (Bild 1). Um die Drain-Source-Spannung U_DS und die Gate-Source-Spannung U_GS zu messen, kamen passive Hochspannungs-Tastköpfe mit hoher Bandbreite zum Einsatz. Zudem nutze man eine Rogowski-Spule, um den Drain-Strom I_D zu erfassen.

Bild 1a: Schaltbild des Testaufbaus

Bild 1b: Realer Testaufbau

Bild 2 zeigt das Oszillogramm der Kurzschlussprüfung bei zehn Prüflingen bei 600 V Drain-Source-Spannung und 20 V Gate-Spannung bei Raumtemperatur. Der Kurzschlussstrom liegt um die 250 A, die Kurzschlussfestigkeit und die kritische Energie für den zerstörerischen Ausfall verteilen sich in einem engen Fenster um etwa 7 µs (Bild 3) bzw. 0,75 J (Bild 4).

Bild 2: Oszillogramm der Kurzschlussprüfung. Der Kurzschlussstrom liegt bei allen zehn Prüflingen um die 250 A.

Wie sich das Kurzschlussverhalten mit der Drain-Source-Spannung verändert, veranschaulicht Bild 5. Obwohl der Spitzenstrom ähnlich hoch ist, sank die Kurzschlussfestigkeit bei etwa 250 A unter allen Bedingungen von mehr als 20 µs bei 200 V Drain-Source-Spannung auf 3,6 µs bei 800 V. Mit zunehmender Zwischenkreisspannung steigt auch die momentane Verlustleistung deutlich, sodass auch die Temperatur wesentlich schneller steigt. Dadurch sinkt wiederum die Kurzschlussfestigkeit.

Bild 3: Kurzschlussfestigkeit bei den zehn SiC-MOSFETs (U_DS = 600 V; U_GS = 20 V).

Bild 4: Kritische Energie in Joule bei den zehn SiC-MOSFETs (U_DS = 600 V; U_GS = 20 V).

Um zu prüfen, wie sich die Gate-Spannung auf die Kurzschlussfestigkeit auswirkt, wurde deren Wert verändert (Bild 6). Demzufolge hängt der Spitzenstrom sogar stark von der Gate-Spannung ab und sinkt von 250 A bei einer Gate-Spannung von 20 V auf 100 A bei einer Gate-Spannung von 15 V. Dies stützt den bereits genannten Designkompromiss zwischen Treiberspannung, On-Widerstand sowie Spitzenstrom im Kurzschluss und Kurzschlussfestigkeit. Weitere untersuchte Faktoren waren der externe Gate-Widerstand und die Umgebungstemperatur. Diese beeinflussten die Kurzschlussfestigkeit der SiC-MOSFETs jedoch nicht nennenswert.