Effizientere Leistungswandlung mithilfe von SiC-basierten MOSFETs

Höhere Leistungsanforderungen, regulatorische Vorgaben sowie Standards bezüglich Effizienz und EMI-Problemen machen Netzteile erforderlich, in denen Leistungsschalter zum Einsatz kommen, die mehr Effizienz und einen weiteren Betriebsbereich bieten. Dabei sehen sich die Entwickler ständig dem Druck ausgesetzt, die Kosten senken und Platz sparen zu müssen. Angesichts dieser Anforderungen ist eine Alternative zu den klassischen MOSFETs auf Basis von Silizium (Si) erforderlich.

Siliciumcarbid-Komponenten (SiC), die inzwischen gereift und bereits in der dritten Generation erhältlich sind, haben sich zu einer klaren Option entwickelt. SiC-basierte FETs bieten zahlreiche Leistungsvorteile, insbesondere in Bezug auf Effizienz, höhere Zuverlässigkeit, weniger Probleme mit dem Wärmemanagement und kleinerer Grundfläche. Diese Vorteile gelten für das gesamte Leistungsspektrum und erfordern keine grundlegenden Änderungen bei den Designkonzepten, obwohl eventuelle leichte Anpassungen vorgenommen werden müssen.

Dieser Artikel bietet einen kurzen Vergleich von Si und SiC, stellt Beispiele für SiC-Komponenten von Wolfspeed vor und zeigt, wie man damit erste Designs entwickelt.

SiC- contra Si-MOSFETs

Zuerst muss man sich über die Technologie und Terminologie im Klaren sein: Auch bei SiC-basierten FETs handelt es sich, ebenso wie bei den Vorgängern auf Siliziumbasis, um MOSFETs. Im weitesten Sinne sind ihre internen physischen Strukturen ähnlich und bei beiden handelt es sich um Komponenten mit drei Anschlussklemmen, nämlich Source, Drain und Gate.

Der Unterschied zwischen beiden geht aus dem Namen hervor: Bei SiC-basierten FETs kommt als Basismaterial Siliziumcarbid und nicht nur reines Silizium zum Einsatz. Innerhalb der Branche werden diese Komponenten von vielen als SiC-Komponenten bezeichnet und auf den MOSFET-Teil wird verzichtet. In diesem Artikel werden sie als SiC-FETs bezeichnet.

Warum wird ein SiC-Verbundwerkstoff verwendet? Aus verschiedenen tiefgreifenden physikalischen Gründen weist SiC drei wichtige elektrische Merkmale auf, durch die es sich deutlich von Silizium unterscheidet und von denen jedes einzelne Vorteile für den Betrieb mit sich bringt. Außerdem gibt es noch weitere feinere Unterschiede (Abbildung 1).

Abbildung 1: Diese Abbildung zeigt einen ungefähren Vergleich der wichtigen Materialeigenschaften von SiC im Vergleich zu Si und GaN. Im Vergleich zu Si bietet SiC eine höhere kritische Durchbruchspannung, eine höhere Wärmeleitfähigkeit sowie eine größere Bandlücke. (Bildquelle: Researchgate)

Diese Vorteile sind:

• Eine höhere kritische Durchbruchspannung von etwa 2,8 Megavolt pro Zentimeter (MV/cm) im Vergleich zu 0,3 MV/cm. Dies ermöglicht den Betrieb mit einer vorgegebenen Nennspannung mit einer sehr viel dünneren Schicht, wodurch der Einschaltwiderstand enorm verringert wird.
• Eine höhere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine höhere Stromdichte auf einer Querschnittsfläche.
• Eine größere Bandlücke (die Energiedifferenz (in eV) zwischen dem oberen Rand des Valenzbands und dem unteren Rand des Leitungsbands in Halbleitern (und Isolatoren)) führt zu einem niedrigeren Leckstrom bei hohen Temperaturen. Aus diesem Grund werden SiC-Dioden und -FETs häufig als WBG-Komponenten (Wide Bandgap) bezeichnet.

Somit können SiC-basierte Komponenten Spannungen blockieren, die annähernd zehnmal höher sind als bei Siliziumkomponenten. Außerdem können sie Schaltvorgänge dank einem Einschaltwiderstand, der bei 25 °C nur halb so hoch oder sogar noch geringer ist, etwa zehnmal schneller ausführen. Gleichzeitig erleichtert ihre Fähigkeit, statt bei Temperaturen von bis zu 125 °C bei sehr viel höheren Temperaturen von bis zu 200 °C betrieben werden zu können, die thermische Auslegung und das Wärmemanagement.

Die entscheidende Bedeutung von Gate-Treibern für die Umsetzung der Vorteile

Eine Leistungskomponente funktioniert nicht ohne ihren Gate-Treiber, der digitale Steuersignale mit niedrigem Pegel entsprechend dem für die Leistungskomponente erforderlichen Timing in die benötigten Strom- und Spannungssignale umwandelt (und außerdem einen gewissen Schutz vor den meisten externen Störungen bietet). Für SiC-FETs benötigt man einen Treiber mit zusätzlichen Funktionen, um Folgendes zu ermöglichen:

• Minimierung von Leitungs- und Schaltverlusten sowie von Gate-Verlusten. Die Verluste schließen die Aus- und Einschaltströme, den Miller-Effekt und Anforderungen für den Gate-Treiberstrom mit ein. Der Ausschaltstrom ist eine Funktion von Gate-Widerstand und Gate-Source-Spannung im ausgeschalteten Zustand. Um die Werte dieser beiden Größen zu senken, muss mehr Strom vom Gate bezogen werden. Eine Möglichkeit hierfür besteht für den Treiber darin, im ausgeschalteten Zustand eine negative Vorspannung an die Gate-Spannung anzulegen. Analog dazu wird der Einschaltstrom durch eine Verringerung des Gate-Widerstands verringert.
• Minimierung des Miller-Effekts und seiner negativen Auswirkungen, in deren Rahmen eine parasitäre Kapazität unter bestimmten Umständen und bei manchen Anwendungskonfigurationen zu einem unbeabsichtigten Einschalten führen kann. Dieses durch den Miller-Effekt verursachte Einschalten führt zu einem Anstieg des Sperrverzögerungsstroms und somit zu höheren Verlusten. Eine Lösung hierfür besteht für den Treiber in der Verwendung einer sogenannten Miller-Klemme als Schutzvorkehrung, die den Treiberstrom während des Schaltens der Leistungsstufe steuert.
• Bereitstellung der erforderlichen Senken- und Quellenströme bei entsprechenden Spannungen. SiC-Komponenten erfordern im Allgemeinen einen Gate-Treiber mit einer höheren positiven Vorspannung (+20 Volt) als Silizium-MOSFETs, um Verluste zu minimieren. Eventuell ist im ausgeschalteten Zustand auch eine negative Gate-Spannung von –2 bis –6 Volt erforderlich. Der erforderliche Gate-Strom wird mithilfe der üblichen Berechnungen basierend auf der Gate-Ladung (Q_g), V_DD, dem Drain-Strom I_D, der Gate-Source-Spannung und dem Gate-Widerstand ermittelt und bewegt sich normalerweise im Bereich von wenigen Ampere. Dieser Strom erfordert angemessene Nennwerte für die Senken- und Quellenströme bei einer Flankensteilheit, die entsprechend der Schaltgeschwindigkeit des SiC-FET gewählt wird.
• Modellierung und Minimierung der parasitären Effekte (sowohl Streuinduktivitäten als auch -kapazitäten) von Platine und Komponente, die zu Schwingungen, Überschwingen von Spannung/Strom sowie zu Fehlauslösungen bei den höheren Schaltgeschwindigkeiten dieser Komponenten führen können. Silizium-MOSFETs verfügen über einen kleinen Stromschwanz, der als Dämpfer oder Snubber fungiert, um das Überschwingen zu einem gewissen Grad zu reduzieren. SiC-MOSFETs verfügen nicht über diesen Stromschwanz, sodass bei der Drain-Spannung das Überschwingen höher ausfallen und Probleme verursachen kann. Die Reduzierung dieser parasitären Effekte erfordert ein sorgfältiges Beachten von Layoutproblemen, eine Minimierung der Leiterlängen und eine möglichst nahe Positionierung des Treibers an seiner Leistungskomponente. Schon wenige Zentimeter können einen Unterschied ausmachen, da die Auswirkungen dieser Streuinduktivitäten und -kapazitäten bei den höheren Schaltgeschwindigkeiten von SiC-FETs deutlicher zu spüren sind. Die Reduzierung des Überschwingens hat noch einen weiteren Vorteil, da sie die Erzeugung von EMI-Rauschen im Zusammenhang mit dem schnellen Schalten sowohl der Treiber- als auch der Lastseite der Komponente verringert.

Trotz den zusätzlichen Problemen im Zusammenhang mit der Ansteuerung von SiC-MOSFETs haben viele Anbieter standardmäßige ICs für diesen Zweck im Angebot, deren Merkmale auf die speziellen Anforderungen von SiC-Komponenten abgestimmt sind. Beachten Sie, dass die Gate-Treiber und SiC-FETs in vielen Designs galvanisch von der Niederspannungsschaltung isoliert werden müssen. Möglich ist dies mithilfe von optischen Verfahren, Impulswandlern oder kapazitiver Trennung unter Verwendung von Standardkomponenten. Diese Trennung wird einerseits aus Sicherheitsgründen zum Schutz der Benutzer vor hohen Spannungen bei Fehlfunktionen des Schaltkreises benötigt und andererseits in den zahlreichen Schaltkreistopologien, in denen der MOSFET grundsätzlich nicht geerdet ist, z. B. in Brückenkonfigurationen.

Neue Komponenten beweisen ihre Leistungsfähigkeit

Der erste im Handel erhältliche SiC-MOSEFT, der CMF20120D, wurde von Wolfspeed im Januar 2011 auf den Markt gebracht (Wolfspeed ist der Name der Stromversorgungs- und HF-Abteilung von Wolfspeed; der Name wurde 2015 bekannt gegeben). SiC-Wafer waren bereits einige Jahre früher erhältlich. Seine Nennspannung betrug 1200 Volt, der Nennstrom 98 A und der Einschaltwiderstand 80 mΩ (alle Werte für 25 ⁰C) und er war in einem TO-247-Gehäuse untergebracht. Wolfspeed arbeitete schon bald darauf mit einem Prozess der 2^. Generation und bietet inzwischen im Rahmen der C3M-Produktfamilie SiC-MOSFETs der 3^. Generation an (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Vergleich der SiC-Prozessstrukturen der 2^. (links) und 3^. (rechts) Generation von Wolfspeed zeigt zwar nur geringe Unterschiede, die sich hieraus ergebenden Verbesserungen bei den Leistungsspezifikationen sind anhand dieser Querschnitte jedoch nicht zu erkennen. (Bildquelle: Wolfspeed)

Beispielsweise befindet sich unter den branchenweit ersten 900-V-SiC-MOSFET-Plattformen die C3M0280090J. Sie ist für Hochfrequenz-Leistungsanwendungen optimiert, zu denen Wechselrichter für erneuerbare Energien, Ladesysteme für Elektrofahrzeuge und dreiphasige Industriestromversorgungen gehören (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die Top-Merkmale des SiC-MOSFET C3M0280090J von Wolfspeed zeigen seine Eignung für Wechselrichter für erneuerbare Energien, Ladesysteme für Elektrofahrzeuge und dreiphasige Industriestromversorgungen. (Tabellenquelle: Wolfspeed)

Zusätzlich zu den Spannungs-/Stromspezifikationen ist diese Komponente für Schaltvorgänge mit hohen Geschwindigkeiten bei niedrigen Kapazitäten optimiert, verfügt über ein Gehäuse mit niedriger Impedanz und Treiberquelle (Abbildung 3), enthält eine schnelle intrinsische Diode mit geringer Sperrverzögerungsladung (Qrr) und bieten eine lange Kriechstrecke (~7 Millimeter (mm)) zwischen Drain und Source.

Abbildung 3: Die C3M0280090J von Wolfspeed verfügt über ein Gehäuse mit niedriger Impedanz und Treiberquelle. (Bildquelle: Wolfspeed)

Diese 900-Volt-Plattform ermöglicht kleinere Leistungswandlungssysteme der nächsten Generation mit einer höheren Effizienz und zu einem Preis, der in etwa dem von Lösungen auf Siliziumbasis entspricht, allerdings bei überlegenen Spezifikationen. Das Diagramm für den sicheren Betriebsbereich fasst die Leistungsfähigkeit dieses SiC-FET zusammen (Abbildung 4). Bei einer niedrigen Drain-Source-Spannung (V_DS) ist der maximale Strom durch den Einschaltwiderstand begrenzt. Bei moderaten Werten für V_DS hält das Bauteil für kurze Zeit einem Strom von 15 A stand.

Abbildung 4: Das Diagramm für den sicheren Betriebsbereich der C3M0280090J von Wolfspeed zeigt den Strom I_DS im Vergleich zur Spannung V_DS an. (Bildquelle: Wolfspeed)

Auswirkungen des Gehäuses auf die Performance

Wolfspeed bietet außerdem drei Komponenten mit ähnlichen Spezifikationen an, und zwar den C3M0075120D, den C3M0075120K und den C3M0075120J. Die Unterschiede sind zum Großteil den Gehäusen der Komponenten geschuldet (Abbildung 5).

Abbildung 5: Wolfspeed bietet denselben 1200-Volt-SiC-FET in drei Gehäusevarianten mit ungefähr vergleichbaren, nicht jedoch identischen Spezifikationen an. (Bildquelle: Wolfspeed)

Während die Zahlen die Fakten liefern, sind auch noch weitere Informationen enthalten. Das Suffix „D“ kennzeichnet ein Gehäuse mit drei Anschlussklemmen (TO-247-3), wohingegen das Suffix „K“ ein Gehäuse mit vier Anschlussklemmen (TO-247-4) kennzeichnet. Diese zwei Komponenten bieten ebenso wie die Komponente mit dem Suffix „J“ mit sieben Anschlussklemmen einen Kelvin-Source-Pin, der die Auswirkungen von Spannungsspitzen reduziert, die durch L × di/dt im Gate-Schaltkreis induziert werden. Dadurch können an Gate und Source höhere Spannungen angelegt werden, wodurch schnellere dynamische Schaltvorgänge ermöglicht werden. Die Ergebnisse zeigen eine potenzielle Verringerung der Schaltverluste um den Faktor 3,5, wenn die Komponenten nahe ihres Nennstroms gemessen werden.

Schneller zum Erfolg mit Evaluierungskarten und Referenzdesigns

Obwohl am entgegengesetzten Ende des Spektrums von HF-Designs mit Frequenzen im Gigahertz-Bereich angesiedelt, erfordert die Erstellung von leistungsstarken Schaltkreisen zum Betrieb mit höheren Spannungen und Leistungsbereichen nach wie vor Aufmerksamkeit bei den Details. Sämtliche Feinheiten und Besonderheiten der Komponenten und des Layouts werden verstärkt und der physische Schaltkreis ist auch bei kleinsten Problemen und Nachlässigkeiten absolut unerbittlich.

Damit die Entwickler SiC-FETs wie den C3M0075120D und den C3M0075120K besser evaluieren können, bietet Wolfspeed das Buck-Boost-Evaluierungskit KIT-CRD-3DD12P an, um die Leistungsfähigkeit dieser Komponenten bei Schaltvorgängen mit hohen Geschwindigkeiten zu demonstrieren (Abbildung 6). Es ist sowohl für das Gehäuse mit drei Anschlussklemmen des C3M0075120D als auch für das Gehäuse mit vier Anschlussklemmen des ansonsten identischen C3M0075120K konzipiert. So kann der Entwickler die Leistungsfähigkeit der in verschiedenen Gehäusen erhältlichen MOSFETs der 3. Generation (C3M) von Wolfspeed testen und vergleichen.

Abbildung 6: Das Evaluierungskit KIT-CRD-3DD12P ermöglicht auf bequeme Weise die Bewertung der Leistungsfähigkeit sowohl des C3M0075120D im TO-247-Gehäuse mit drei Anschlussklemmen als auch des C3M0075120K im Gehäuse mit vier Anschlussklemmen. Beachten Sie den großen Kühlkörper und den ringförmigen Induktor für ein herausragendes Wärmeverhalten. (Bildquelle: Wolfspeed)

Das Evaluierungskit ist als Halbbrücke konfiguriert und ermöglicht das Hinzufügen eines MOSFET oder einer Diode in den oberen und unteren Positionen, damit für die Platine übliche Leistungswandlungstopologien wie eine synchrone Abwärts- oder Aufwärtskonfiguration möglich sind. Außerdem können entweder in den oberen oder in den unteren Positionen Dioden hinzugefügt werden. Dadurch können Benutzer die Topologie eines asynchronen Abwärts- oder Aufwärtswandlers evaluieren.

Zur Verringerung der Verlustleistung bietet das Kit außerdem einen Induktor mit geringem Verlust aus „Sendust“. Dieses auch unter dem Namen Kool Mµ bekannte magnetische Metallpulver, das sich aus 85 % Eisen, 9 % Silizium und 6 % Aluminium zusammensetzt, wird aufgrund seiner verbesserten Spezifikationen bei entscheidenden magnetischen Kenngrößen und Temperaturparametern als Alternative zu Mu-Metall verwendet.

Für Benutzer, die einen eigenen Teilschaltkreis für den Gate-Treiber entwickeln müssen, hat Wolfspeed das Referenzdesign CGD15SG00D2 für einen Gate-Treiber für diese SiC-FETs der 3^. Generation im Angebot (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Ober- (links) und Unterseite (rechts) des Referenzdesigns CGD15SG00D2 für einen Gate-Treiber – eine Platine mit vollständiger Stückliste, die dem Benutzer die Evaluierung der Leistungsfähigkeit desselben SiC- MOSFET-Chip in einem TO-247-Gehäuse mit drei und mit vier Anschlussklemmen ermöglicht. (Bildquelle: Wolfspeed)

Das Übersichtsschaltbild (Abbildung 8) des CGD15SG00D2 zeigt die Funktionen dieses Referenzdesigns inklusive Optokoppler (U1), Gate-Treiber-IC (U2) und galvanisch getrenntem Netzteil (X1). Der Optokoppler (5000 V AC-Isolation) akzeptiert pulsweitenmodulierte (PWM) Signale und bietet eine Gleichtaktimmunität von 35/50 Kilovolt (kV) pro Mikrosekunde (µs) (minimal/typisch). Weitere nennenswerte Funktionen:

• Eine Aussparung zur Verlängerung der vorgeschriebenen Kriechstrecke zwischen Logik- und Stromversorgungsseite der Platine sowie ein 9-mm-Schlitz zur Verlängerung der Kriechstrecke zwischen den primären und sekundären Schaltkreisen auf der Platine.
• Ein galvanisch getrenntes Netzteil (2 Watt), das den Betrieb größerer MOSFETs bei höheren Frequenzen unterstützt.
• Separate Ein- und Ausschaltwiderstände am Gate mit einer dedizierten Diode, um dem Benutzer die Anpassung und Optimierung von Ein- und Ausschaltsignalen zu ermöglichen.
• Ein Gleichtaktinduktor am Stromeingang der Logik zur Verbesserung der EMI-Immunität.

Abbildung 8: Dieses Übersichtsschaltbild des Referenzdesigns CGD15SG00D2 für einen Gate-Treiber zeigt seine wichtigsten Funktionsblöcke: den Optokoppler (U1), den Gate-Treiber-IC (U2) und das galvanisch getrennte Netzteil (X1). (Bildquelle: Wolfspeed)

Fazit

Die SiC-MOSFETs der 3. Generation von Wolfspeed bieten im Vergleich zu herkömmlichen Si-MOSFETs deutliche Leistungsvorteile hinsichtlich Effizienz und thermischem Verhalten für Leistungsschalter. In Kombination mit einem geeigneten Treiber bieten sie zuverlässige, konsistente Leistung sowohl für neue als auch für gängige Anwendungen.