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Wie robust ist Siliziumkarbid im Kurzschlussfall?

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

Wie robust ist Siliziumkarbid im Kurzschlussfall?
© Andrew Buckin / Shutterstock

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 UDS und die Gate-Source-Spannung UGS zu messen, kamen passive Hochspannungs-Tastköpfe mit hoher Bandbreite zum Einsatz. Zudem nutze man eine Rogowski-Spule, um den Drain-Strom ID zu erfassen.

Littelfuse, Silicon Carbide, SiC-MOSFET
© Littelfuse

Bild 1a: Schaltbild des Testaufbaus

Littelfuse, Silicon Carbide, SiC-MOSFET
© Littelfuse

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).

Littelfuse, Silicon Carbide, SiC-MOSFET
© Littelfuse

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.

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

Littelfuse, Silicon Carbide, SiC-MOSFET
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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.

Littelfuse, Silicon Carbide, SiC-MOSFET
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Bild 5: Veränderung des Kurzschlussverhaltens bei unterschiedlichen Drain-Source-Spannungen (U_GS = 20 V).

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Bild 6: Veränderung des Kurzschlussverhaltens bei unterschiedlichen Gate-Treiber-Spannungen (U_DS = 600 V).

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2. Treiber schützt SiC-MOSFET

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