Wenn die physikalischen Eigenschaften einzelner Halbleitermaterialien den Schaltungsanforderungen nicht genügen, kann eine Kombination wie die Kaskode aus Si-MOSFET und SiC-JFET die optimale Lösung für Hochleistungsanwendungen sein. United SiC erörtert die Problemlage und stellt ein geeignetes Kaskodenmodul vor.

Abbildung 1: SiC-JFET mit vertikaler Trenchzelle, die im Vergleich zu einer lateralen GaN-HEMT-Zelle (High Electron Mobility Transistor) einen sehr geringen Durchlasswiderstand aufweist. (Bild: United SiC)

Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten dank ihrer großen Bandlücke (WBG) Vorteile beim kabellosen Laden und in Miniatur-Stromrichtern.

WBG-Bauelemente haben eine deutlich größere Energiebandlücke als Silizium-Halbleiter (Si). 4H-SiC hat beispielsweise eine Bandlücke von 3,2 eV im Vergleich zu 1,1 eV für Si. Die höhere Energie, die erforderlich ist, um Elektronen in WBG-Halbleitern vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen, bedeutet höhere elektrische Feldstärken im Vergleich zu Si bei gleicher Schichtdicke. SiC arbeitet auch bei deutlich höheren Temperaturen stabil und hat die dreieinhalbfache Wärmeleitfähigkeit von Si. In der Praxis versprechen diese Eigenschaften einen Hochfrequenz- und Hochtemperaturbetrieb bei hohen Spannungs- und Leistungspegeln.

Inzwischen hat die Leistungshalbleitertechnologie große Fortschritte gemacht und produziert neue Bauelemente auf Basis von Si, SiC und GaN mit immer neuen Schichtstrukturen und speziellem Schaltverhalten (Bild 1).

Abbildung 1: SiC-JFET mit vertikaler Trenchzelle, die im Vergleich zu einer lateralen GaN-HEMT-Zelle (High Electron Mobility Transistor) einen sehr geringen Durchlasswiderstand aufweist. Vereinigte SiC

Für Schaltungsanwendungen im kleinen und mittleren Leistungsbereich sind MOSFETs aus Si und SiC (enhancement type, normal OFF) oft die erste Wahl – aber auch nicht frei von Nachteilen.

Die konstruktionsbedingte Body-Diode in MOSFETs hat einen hohen Spannungsabfall in Durchlassrichtung und eine relativ hohe Sperrladung Qrr, die sich oft um den Faktor 3 über die Temperatur ändert. In Anwendungen wie hart geschalteten Brücken mit induktiven Lasten, Bremschoppern und jumperlosen Totempfahltreibern für PFC-Stufen verursachen beide Baugrößen erhöhte Verlustleistungen. Eine extern parallel geschaltete SiC-Schottky-Diode vermeidet das Problem – allerdings zu deutlich höheren Kosten und mit begrenztem Nutzen.

Darüber hinaus ist die niedrige Gate-Einschaltschwelle von etwa 2,2 V für SiC-MOSFETs kritisch und muss für einen optimalen und sicheren Betrieb in engen Grenzen bleiben. Auch der schwer regelbare Kurzschluss-Sättigungsstrom - ein großes Problem für die Zuverlässigkeit des Systems - variiert mit der Gate-Source-Spannung.

Die Kaskodenanordnung von Si-MOSFET und SiC-JFET vereint die physikalischen Vorteile beider Halbleitermaterialien und erreicht Schaltspannungen von bis zu 1200 V bei 85 A Stromfluss bei einem RDS (on) von 30 mΩ. Als Super-Kaskode lassen sich Schaltspannungen bis 10 kV mit hohem Wirkungsgrad realisieren.

Die relativ großen Eingangs-, Ausgangs- und Miller-Kapazitäten bei MOSFETs sind insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen problematisch. Sie stellen hohe Anforderungen an die Gate-Steuerung, führen zu Umladeverlusten und bergen die Gefahr des Fehleinschaltens durch Strom, der von der Miller-Kapazität in das Gate eingespeist wird.

Eine Alternative sind hier JFETs ohne Bodydioden, die allerdings bei einer Gatespannung von 0 V leitend sind und erst bei -7 V sperren. Normal-ON-Module sind in manchen Schaltanwendungen sinnvoll, aber normale OFF-Varianten werden oft bevorzugt.

Erfahren Sie auf der nächsten Seite, warum Kaskodenanordnungen schnell und effizient sind und warum sie die Vorteile von Si und SiC vereinen können.

Abbildung 2: Kaskodenanordnung eines Si-MOSFET und SiC-JFET. Vereinigte SiC

Um die Nachteile von MOSFETs zu vermeiden und dennoch die Vorteile von WBG-Halbleitern zu nutzen, haben viele Hersteller die Kaskodenanordnung wieder aufgegriffen (Bild 2). In Reihe geschaltet sind ein Niedervolt-Si-MOSFET (selbstsperrend) und ein SiC-Trench-JFET, wobei das JFET-Gate mit dem MOSFET-Source-Anschluss verbunden ist.

Bei einer positiven Spannung am Gate (UGS_MOSFET) wird der MOSFET leitend (ON), wodurch das SiC-JFET Gate kurzgeschlossen wird und auch der JFET leitend wird. Bei UGS_MOSFET von 0 V wird die Drain-Source-Strecke des MOSFET hochohmig (OFF) und der Spannungsabfall über diese Strecke steigt. Überschreitet der UDS_JFET den Betrag von 6 V (das SiC JFET Gate ist dann 6 V negativer als seine Source), wird auch der JFET hochohmig (OFF). UDS_MOSFET ist aus Sicherheitsgründen für eine Erhöhung von 15 bis 20 V ausgelegt, um den JFET komplett zu sperren.

Im Gegensatz zu anderen Kaskode-Anordnungen führt die extrem niedrige CDS_JFET (Drain-Source-Kapazität) nach dem Abschalten dazu, dass der kapazitive Teiler mit dem MOSFET die gesamte über dem Hochvolt-SiC-JFET erzeugte Spannung begünstigt. Der Si-MOSFET kann daher ein Niedervoltbauelement mit einem zugehörigen geringen Durchlasswiderstand RDS (on) von wenigen Milliohm sein. Der JFET dominiert dann den gesamten Einschaltwiderstand der Kaskode.

Abbildung 3: Kapazitäten einer SiC-Kaskode auf Basis des 1200-V-Bauteils UJC1206K von UnitedSiC. Vereinigte SiC

Nach Weiterentwicklung stehen nun MOSFETs zur Verfügung, die die bisherigen Beschränkungen überwinden. Die optimierte Body-Diode in Niedervolt-Si-MOSFETs erreicht einen sehr niedrigen Qrr-Wert, der um den Faktor 2 kleiner ist als der eines Hochvolt-SiC-MOSFET bzw. etwa zwanzigmal kleiner als bei einer Standard-Fast-Recovery-Diode. Dadurch kann in der Praxis bei Verwendung der Bodydiode in bestimmten Schaltungszuständen auf eine zusätzliche Paralleldiode verzichtet werden.

Im Vergleich zu einem SiC-MOSFET ist der Aufbau des Gate-Treibers bei einem Si-MOSFET eher unkritisch und kommt mit maximal 25 V aus. Die Gate-Source-Spannung des MOSFET in der Kaskode hat keinen Einfluss auf den Kurzschluss-Sättigungsstrom im voll geschalteten Zustand mit ca. +8 V. Hier begrenzt der JFET den Stromfluss im vertikalen Kanal auf ein Sättigungsniveau. Auch die hohe zulässige Sperrschichttemperatur und die Verlustwärme wirken sich vorteilhafterweise limitierend auf die Leitfähigkeit des JFET-Kanals aus.

Abbildung 4: SiC-Kaskoden decken auch andere zulässige Gate-Steuerspannungen ab. Vereinigte SiC

Optimiert für den Einsatz in der Kaskode besitzt der Niedervolt-MOSFET eine extrem niedrige Eingangskapazität Ciss (Kleinsignal-Eingangskapazität) und eine Drain-Gate-Miller-Kapazität Crss (Kleinsignal-Rückübertragungskapazität) von praktisch Null (Bild 3). Dies führt zu einer geringen Gate-Treiberleistung und vermeidet die Gefahr eines Fehleinschaltens aufgrund von dV/dt-Stromspitzen aus der Miller-Kapazität.

Aufgrund der Ausgangskapazität Coss (Kleinsignal-Ausgangskapazität) treten bei Schaltvorgängen Energieverluste (Eoss) auf. Bei 650-V-Bauelementen hingegen hat eine SiC-Kaskode mit etwa 6,5 ​​µJ weniger als den halben Verlustwert als vergleichbare diskrete Si- oder SiC-MOSFETs.

Aber die Kaskode hat auch einen negativen Punkt: Die Schaltung reagiert sehr schnell und braucht eine gewisse Zähmung. In der Praxis müssen die Anstiegsgeschwindigkeiten dV/dt und di/dt auf überschaubare Werte begrenzt werden, um die EMV-Normen einzuhalten, aber auch um induzierte Strom- und Spannungsspitzen von geschalteten Induktivitäten zu begrenzen. DV/dt und di/dt lassen sich durch externe Gate-Widerstände optimal einstellen.

SiC-Kaskoden können für viele Anwendungen als Ersatz dienen, insbesondere bei der Aktualisierung bestehender Systeme. Warum das so ist, beschreibt der Artikel auf der nächsten Seite.

Es besteht ein hoher Bedarf an der Aktualisierung bestehender Systeme, bei denen ein komplett neues Design nicht machbar oder wirtschaftlich erscheint. Die meisten WBG-Schaltlösungen sind zum Ersetzen bestehender Bauelemente wie IGBTs oder Si-MOSFETs ungeeignet, da die Gate-Ansteuerung dieser Bauelemente nicht mit den genauen Gate-Steuerspannungen kompatibel ist, die für SiC-MOSFETs oder GaN-HEMT-Bauelemente erforderlich wären. Als direkter Ersatz können jedoch Kaskode-SiC-JFETs verwendet werden. Sie sind in Standard-TO-247- und TO-220-Gehäusen erhältlich und mit einer Vielzahl von Gate-Treiberspannungen kompatibel, die alle anderen Komponentenstandards umfassen (Abbildung 4).

SiC-Kaskoden können in vielen Anwendungen als Ersatz mit IGBTs, Si-MOSFETs oder auch SiC-MOSFETs eingesetzt werden – mit kaum mehr als einer Änderung des seriellen Gate-Widerstands, um die Schaltgeschwindigkeit zu optimieren (Bild 5).

Abbildung 5: Gate-Steuerschaltung für eine SiC-Kaskode. Vereinigte SiC

SiC-Kaskoden sind mit Nennwerten von 650 und 1200 V für Ströme bis ca. 85 A und mit Durchlasswiderständen von ca. 30 m². Super-Kaskoden können aus üblichen 1200-V-Kaskoden und JFETs aufgebaut werden, um sehr hohe Spannungen (zB 2,5 bis 10 kV) über einen einzigen MOSFET zu schalten.

Die Hochtemperaturfähigkeit von SiC-Halbleitern, ihr schnelles Schalten und ihre geringen Verluste machen sie ideal für industrielle Anwendungen, bei denen es auf hohe Leistung und Effizienz ankommt. Hochleistungs-Brückenschaltungen, wie sie in Wechselrichtern, Class-D-Audioverstärkern, beim Schweißen und für Motorantriebe zum Einsatz kommen, sind ideale Einsatzgebiete. Vor allem aber profitieren brückenlose Totempfahl-PFC-Schaltungen (Power Factor Correction, PFC) von diesen Vorteilen (Abb. 6).

Auf der folgenden Seite erfahren Sie, warum Kaskoden mit SiC-JFETs praktisch unzerstörbar sind.

Abb. 6: SiC-Komponenten in einer brückenlosen Totempfahl-PFC-Stufe. Vereinigte SiC

Frühere Schaltungen mit Si-MOSFETs führten zu Einschränkungen aufgrund der langsamen Schaltgeschwindigkeit der Body-Dioden. Ein kritischer Leitungsmodus war erforderlich, um den Schaltstrom am Ende jeder Leitungsperiode auf Null zu bringen. Dieser Betriebszustand mit variabler Frequenz erzeugt jedoch hohe Stromspitzen und eine entsprechend große Störaussendung (EMI). Bei Kaskode-SiC-JFETs kann der kontinuierliche Leitungsmodus mit verbesserter Effizienz, kleineren Induktivitäten und vereinfachten Filter- und EMI-Anforderungen bei einer festen Betriebsfrequenz weiterhin verwendet werden.

Der hohe Wirkungsgrad in Umrichter-Primärkreisen kann mit ähnlichen Verbesserungen in der Gleichrichtung für die DC-Ausgänge erreicht werden. SiC-Kaskoden können auch für die synchrone Gleichrichtung konfiguriert werden (Abbildung 7).

Beim Betrieb im dritten Quadranten fließt bei einigen Kaskoden Strom von der Quelle über die Ausgangsinduktivität, um die Speicherdrossel während der Vorwärts- und Schwungradperioden von Single-Ended- und Abwärtswandlern aufzuladen. Der Stromfluss durch die Body-Diode verursacht eine JFET-Gate-Source-Spannung von etwa +0,7 V, die den JFET durchschaltet. Wird das Cascode-Gate auf High gesetzt, leitet der interne Si-MOSFET-Kanal – und der gesamte On-Widerstand wird zum RDS (on) der Kaskode, was entsprechend geringere Leitungsverluste bedeutet. Q1 in Abbildung 7 bildet den Schwungradgleichrichter und Q2 den Single-Ended-Gleichrichter.

Abbildung 7: SiC-Kaskoden in der Synchrongleichrichtung. Vereinigte SiC

Bei Hochleistungsanwendungen ist die Robustheit bei transienten Kurzschlüssen und Überspannungen besonders wichtig. Ein Kaskoden-SiC-JFET hat diesbezüglich hervorragende Eigenschaften, wobei der Abschalteffekt aufgrund seines negativen Temperaturkoeffizienten den Sättigungsstrom begrenzt.

Bei Überspannungen leitet die SiC JFET Gate-Drain-Diode, wodurch ein Strom im integrierten Gate-Widerstand fließt, schaltet den JFET-Kanal ein und begrenzt so die Überspannung. Die hohe Temperaturbeständigkeit von SiC-Halbleitern bietet auch bei hohen Lawinenenergien einen Sicherheitsspielraum – selbst bei relativ kleinen Formfaktoren.

Ich habe die AGB, die Informationen zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

V2V, V2X oder OTA und Smartphone-Integration bieten viel Komfort und Sicherheit für den Fahrer, stellen aber für Kriminelle potenzielle Zugangspunkte zu den Fahrzeugsystemen dar. Daher ist es wichtig, sich auf die Fahrzeugsicherheit zu konzentrieren.Weiterlesen ...

Die erweiterte Produktpalette von Rohm mit insgesamt 178 Schottky-Dioden reduziert den Stromverbrauch, reduziert die Abmessungen und erhöht die Zuverlässigkeit in einem breiteren Anwendungsspektrum.

Das vom BMVI geförderte Projekt „Campus FreeCity – Real Laboratory for Research into a Networked Fleet of Modular Robotic Vehicles“ sucht nach Lösungen für urbane Verkehrsprobleme und setzt dabei die intelligenten Roboterfahrzeuge EDAG CityBots ein. Weiterlesen ...

Knorr-Bremse Systems for Commercial Vehicles GmbH Schwieberdingen

AUMA Riester GmbH & Co. KG