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Littelfuse / SiC-MOSFETs

Wie robust ist Siliziumkarbid im Kurzschlussfall?

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

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Treiber schützt SiC-MOSFET

Um einen SiC-MOSFET vor einem Ausfall bei Kurzschluss zu schützen, muss der Gate-Treiber einen Überstrom erkennen und den MOSFET schnell genug ausschalten. Mehrere handelsübliche Treiber-ICs, die für Silizium-IGBTs entwickelt wurden, bieten eine integrierte DESAT-Schutzfunktion (Desaturierung). Diese überwacht die U_DS während des Betriebs und schaltet das Bauteil im Falle eines Überstroms ab. Dieselben Treiber-ICs lassen sich auch verwenden, um SiC-MOSFETs im Kurzschlussfall zu schützen – wenn sie denn schnell genug reagieren.

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Bei der DESAT-Schaltung (Bild 7) blockiert die schnelle Silizium-Diode D_D die U_DS, wenn der MOSFET abgeschaltet ist. Während des Schaltens schützt die Zener-Diode D_C den DESAT-Pin, und der Kondensator C_B legt die Austastzeit (Blanking Time) fest, um Fehlauslösungen während des Schalttransienten zu vermeiden. Bild 8 zeigt das Oszillogramm eines Kurzschlussereignisses mit einem Treiber-IC mit DESAT-Schutz.

Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeiten des SiC-MOSFETs und der erforderlichen optimierten Anordnung der Leistungskreise ist die Zeit, die Spannung und Strom im Bauteil benötigen, um nach einem transienten Ereignis den stationären Zustand zu erreichen, viel kürzer als bei einem IGBT. Daher sollte auch die erforderliche Austastzeit (Blanking Time) für die DESAT-Funktionen bei SiC-basierten Designs deutlich kürzer sein. Zum Schutz von SiC-MOSFETs wird in der Regel ein C_B von weniger als 100 pF gewählt und die Austastzeit kann bis zu 200 ns betragen, um die Gesamtreaktionszeit des Treiber-ICs zu reduzieren.

Tabelle 1 vergleicht die Performance verschiedener Treiber-ICs mit einem Austastkondensator C_B von 33 pF. Jeder der geprüften ICs kann im Kurzschlussfall einen SiC-MOSFET innerhalb von 1 µs bis 4 µs schützen. Alle verfügen auch über Funktionen, die das Bauteil im Kurzschlussfall langsam ausschalten (Soft Turn-off), um sowohl den MOSFET als auch die Treiber-ICs zu schützen.

	maximale Schaltfrequenz	DESAT-Erkennungszeit
Treiber-IC 1	300 kHz	3,5 µs
Treiber-IC 2	>500 kHz	2,5 µs
Treiber-IC 3	>500 kHz	1,2 µs

Tabelle 1: Bewertung verschiedener kommerzieller Treiber-ICs.

Querströme in Halbbrücken

Abschließend wurden der SiC-MOSFET und der Gate-Treiber-IC mit der längsten Ansprechzeit gemeinsam unter Kurzschlussbedingungen sowohl als Einzelschalter als auch in einer Halbbrückenkonfiguration getestet. In der Halbbrückenkonfiguration blieb der obere Transistor während der gesamten Transiente eingeschaltet, während der untere Schalter von einem Gate-Treiber mit DESAT-Erkennung angesteuert wurde.

Die Oszillogramme in Bild 9 zeigen, dass der SiC-MOSFET in beiden Fällen sicher abschaltet. Auch belegen sie, dass in der Halbbrückenkonfiguration die Zwischenkreisspannung über beide Schalter gleichmäßig abfällt. Die tatsächliche Spannungsbelastung pro Bauteil ist also viel niedriger als die Zwischenkreisspannung. Das gibt der Schutzschaltung mehr Zeit zu reagieren. Wenn sowohl der untere als auch der obere Schalter über solche Schutzfunktionen für Querströme (Shoot Through) verfügen, können beide jeweils einzeln die gesamte Schaltung schützen.

Fazit

Diese Studie hat die Kurzschlussfestigkeit von SiC-MOSFETs mit 1200 V Sperrspannung und Lösungen für den Überstromschutz mit handelsüblichen Treiber-ICs dargestellt. Laut den Ergebnissen hängt die Kurzschlussfestigkeit in hohem Maße von der Drain-Source- und der Gate-Spannung ab, aber kaum von der Temperatur und der Schaltgeschwindigkeit. Eine höhere Kurzschlussfestigkeit lässt sich durch eine geringere Gate-Treiberspannung oder Busspannung erreichen, aber solche Ansätze reduzieren die Performance von SiC-MOSFETs.

Besser man implementiert einen entsprechenden Schutz, um Überströme zu erkennen und das Bauteil sicher auszuschalten. Kommerzielle IGBT-Treiber mit DESAT-Schutz können auch SiC-MOSFETs effektiv schützen. Aber die Schaltung muss optimiert werden, damit der DESAT-Schutz schnell genug greift. Die Performance verschiedener handelsüblicher Gate-Treiber-ICs mit DESAT-Schutz wurde verglichen und ein Gate-Treiber-Design vorgestellt, das 1200-V-SiC-MOSFETs unter realen Kurzschlussbedingungen schützen kann.