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Zweite SiC-MOSFET-Generation

20. Oktober 2020, 07:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Zweite SiC-MOSFET-Generation
© Toshiba Electronics Europe

TW070J120B heißt der erste SiC-MOSFET (1200 V/36 A) aus der zweiten Generation von Toshiba. Durch eine eingebettete Schottky-Barrier-Diode ist er robuster als die Vorgängergeneration.

Als ersten Siliziumkarbid-MOSFET, der auf der im Juli 2020 vorgestellten zweiten Bauteilgeneration basiert, hat Toshiba einen 1200-V-Typ vorgestellt, der im Vergleich zu einem entsprechenden Silizium-IGBT die Ausschaltverluste um etwa 80 Prozent und die Schaltzeit um etwa 70 Prozent reduziert.

Für industrielle Hochleistungsanwendungen, beispielsweise dreiphasige Netzteile (400 V Eingangsspannung), Photovoltaik-Wechselrichter und bidirektionale DC/DC-Wandler für unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), hat Toshiba nun den TW070J120B vorgestellt. Dieser 1200-V-SiC-MOSFET für einen Drain-Strom von 36 A wird in Toshibas Halbleiterfertigungsprozess der zweiten Generation hergestellt und bietet laut Hersteller eine höhere Zuverlässigkeit. Seine Eingangskapazität CISS ist mit 1680 pF (typ.) angegeben, die Gate-Eingangsladung QG mit 67 nC (typ.) und einen Durchlasswiderstand RDS(on) mit 70 mΩ (typ.). Der neue MOSFET ist ab sofort im TO-3P(N)-Gehäuse erhältlich.

Im Vergleich zu einem 1200-V-IGBT wie dem GT40QR21 von Toshiba reduziert der neue Baustein die Ausschaltverluste um etwa 80 Prozent und die Schaltzeit um etwa 70 Prozent, während er bei einem Drainstrom ID bis zu 20 A eine niedrige Durchlass-Charakteristik hat. Die Gate-Schwellenspannung (Uth) ist im Bereich von 4,2 V bis 5,8 V hoch eingestellt, was unbeabsichtigtes oder unerwünschtes Ein-/Ausschalten (Parasitic Turn-on) vermeiden kann. Darüber hinaus trägt die integrierte SiC-Schottky-Barrier-Diode (SBD) mit einer Durchlassspannung von –1,35 V (typ.) dazu bei, die Verluste zu verringern.

Toshiba, Silicon Carbide, TW070J120B
© Toshiba Electronics Europe

Durch Einbetten einer Schottky-Barrier-Diode (SBD) überbrückt man die parasitäre pn-Diode. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit des SiC-MOSFETs.

Toshibas Gen2-Prozess

Der Verbreitung von SiC-Bauelementen wurden durch Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit gebremst. Eine davon betrifft die parasitäre pn-Diode eines jeden Leistungs-MOSFETs. Die an die pn-Diode angelegte Spannung aktiviert diese und verändert den Durchlasswiderstand. Dies wiederum verschlechtert die Zuverlässigkeit des Bauelements. Die neue Bausteinstruktur, die Toshiba Ende Juli 2020 vorgestellt hatte, will dieses Problem gelöst haben.

Die neue Konstruktion verhindert, dass durch die pn-Diode ein Strom fließt, indem in der Transistorzelle eine integrierte SiC-Schottky-Barrier-Diode (SBD) parallel zur pn-Diode geschaltet ist. Der Strom fließt vorzugsweise durch die eingebettete SBD, weil ihre Durchlassspannung im Vergleich zu der der pn-Diode niedriger ist. Dies verhindert, dass sich der Durchlasswiderstand ändert und die Zuverlässigkeit des MOSFETs verschlechtert. Bei einem typischen MOSFET von Toshiba ändert sich der Durchlasswiderstand um bis zu 43 Prozent, bei einem MOSFET mit eingebetteter SBD jedoch nur um drei Prozent.

Zwar sind MOSFET mit eingebetteter SBD bereits im Gebrauch, aber nur in Hochspannungsprodukten beispielsweise mit 3,3 kV Nennspannung. Normalerweise lassen eingebettete SBDs den Einschaltwiderstand auf ein Niveau ansteigen, das nur Hochspannungsprodukte verkraften können. Toshiba hat nach eigenen Angaben verschiedene Bauteilparameter angepasst und festgestellt, dass das Verhältnis der SBD-Fläche in einem MOSFET der Schlüssel ist, um einen Anstieg des Durchlasswiderstandes zu verhindern. Durch die Optimierung des SBD-Verhältnisses erzielte Toshiba einen zuverlässigen SiC-MOSFET der 1,2-kV-Klasse.

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