Die branchenweit erste ※ SiC-Leistungs-MOSFET mit interner SiC-SBD
Erhebliche niedrigere Verlustleistung in Wechselrichtern und wenig erforderliche Komponenten

07.11.2012
Gehäuse

ROHM hat kürzlich die Entwicklung eines Hochspannungs-Siliziumkarbid-(SiC)-Leistungs-MOSFET (1200 V) der zweiten Generation bekannt gegeben. Dieser wird für Wechselrichter und Wandler in Leistungskonditionierern für Halbleiter in der Industrie und in der photovoltaischen Stromerzeugung entwickelt. Er zeichnet sich durch eine niedrige Verlustleistung, eine hohe Zuverlässigkeit sowie einen niedrigeren Stromverbrauch aus und lassen sich für kleinere Peripheriekomponenten einsetzen.

Das Modell SCH2080KE ist der branchenweit erste SiC-Leistungs-MOSFET, bei dem ein SiC-SBD erfolgreich in ein einzelnes Gehäuse integriert werden kann. Die Durchlassspannung (VF) verringert sich um mindestens 70 %. Dadurch entsteht weniger Verlustleistung und es werden weniger Komponenten benötigt.

Derzeit führen Si-IGBTs, die in der Regel in 1200-V-Wechselrichtern und Wandlern eingesetzt werden, zu Verlustleistungen beim Schalten, was auf Tailstrom oder die Erholungszeit externer FRD zurückzuführen ist. Aus diesem Grund werden SiC-Leistungs-MOSFETs benötigt, die mit niedrigen Schaltverlusten bei hohen Frequenzen betrieben werden können. Allerdings hatten herkömmliche SiC-Leistungs-MOSFETs mit zahlreichen Zuverlässigkeitsproblemen zu kämpfen. Dazu gehören u. a. Verschlechterungen der Eigenschaften, die auf die Body-Dioden-Leitung (z. B. erhöhter Einschaltwiderstand, Durchlassspannung und Verringerung des Widerstands) und ein Ablösen der Gateoxidschicht zurückzuführen sind, was eine vollständige Integration unmöglich macht.

Verlustvergleich (bei 30 kHz)

ROHM hat die Behebung dieser Probleme erfolgreich bewältigt. Dazu wurden Prozesse verbessert, die mit Gitterfehlern und Halbleiterstrukturen verbunden sind und der Einschaltwiderstand pro Flächeneinheit wurde um ca. 30 % im Vergleich zu herkömmlichen Produkten reduziert. Dadurch wurde eine Verbesserung der Miniaturisierung erzielt.

ROHM hat es ebenfalls geschafft, eine SiC-SBD, die zuvor außen angebracht werden musste, mithilfe von unternehmenseigenen Montagetechnologien in dasselbe Gehäuse zu integrieren. Dadurch konnte die Durchlassspannung auf ein Minimum reduziert werden, die in den Body-Dioden der vorigen SiC-Leistungs-MOSFETs Probleme bereitete. Somit verringerte sich die Verlustleistung dank des Modells SCH2080KE um mindestens 70 % im Vergleich zu Si-IGBTs, die in Universalumrichtern zum Einsatz kommen. Dies führt nicht nur zu einem niedrigeren Schaltverlust, sondern auch die Dioden lassen sich auch in kleinere Peripheriekomponenten integrieren, wobei sie sich auch für Frequenzen von mehr als 50 kHz eignen.

ROHM hat auch das Modell SCT2080KE im Angebot, ein SiC-Leistungs-MOSFET ohne interne SiC-SBD. Die SCH20801KE und SCT2080KE lassen sich an kundenspezifische Anforderungen anpassen. ROHM präsentiert diese SiC-Leistungs-MOSFETs auf der Ausstellung TECHNO-FRONTIER 2012, die auf dem Tokyo Big Sight vom 11. Juli (Mi) bis 13. Juli (Fr) stattfinden wird.

※ ROHM-Studie vom 11. Juli

• Preise: Bitte fragen Sie nach
• Verfügbarkeit: Juni 2012 (Muster), Juli 2012 (OEM-Bestellmengen)

<Hauptmerkmale>

1) SiC-Leistungs-MOSFET und SiC-SBD in einem einzigen Gehäuse integriert
Das Modell SCH2080KE enthält eine SiC-SBD im selben Gehäuse, die bei herkömmlichen Modellen außen angebracht war. Somit reduziert sich die Durchlassspannung und es werden weniger externe Komponenten benötigt, sodass Platz eingespart wird.
SiC-Leistungs-MOSFET und SiC-SBD in einem einzigen Gehäuse integriert
2) Hervorragende Strom- und Spannungseigenschaften ohne Spannungsanstieg
Durch Optimierung der Prozesse und Halbleiterkonstruktion reduziert sich der Einschaltwiderstand um ca. 30 % pro Flächeneinheit im Vergleich zu Produkten der ersten Generation. Bei diesen neuen SiC-Leistungs-MOSFETs kommt es im Gegensatz zu Si-IGBTs in der Regel nicht zu einem Spannungsanstieg. Somit entstehen auch bei Schwachlastbetrieb nur geringe Schaltverluste.
Hervorragende Strom- und Spannungseigenschaften ohne Spannungsanstieg
3) Dank der um 70 % niedrigeren Durchlassspannung werden Schaltverluste auf ein Minimum reduziert und es werden weniger externe Komponenten benötigt
Die Body-Dioden der SiC-Leistungs-MOSFETs weisen aufgrund der Eigenschaften von Siliziumkarbid einen höheren Spannungsanstieg auf (um mindestens 2,5 V). Dieser führt möglicherweise zu höheren Schaltverlusten während des Wechselrichterbetriebs.
Zur Behebung dieses Problems vereint das Modell SCH2080KE einen SiC-Leistungs-MOSFET und eine SiC-SBD in einem einzigen Gehäuse, sodass sich die Durchlassspannung erheblich verringert und Spannungsverluste auf ein Minimum reduziert werden. Zudem sind weniger externe Komponenten erforderlich.
Dank der um 70 % niedrigeren Durchlassspannung werden Schaltverluste auf ein Minimum reduziert und es werden weniger externe Komponenten benötigt
4) Da kein Tailstrom entsteht, kommt es nur zu minimalen Schaltverlusten
Im Gegensatz zu Si-IGBTs verursachen die SiC-Leistungs-MOSFETS keinen Teilstrom. Dadurch werden Schaltverluste beim Abschalten um 90 % reduziert, sodass deutlich höhere Energieeinsparungen erzielt werden. Zudem werden Schaltfrequenzen von mehr als 50 kHz unterstützt, wodurch kleinere, leichtere Halbleiter entwickelt werden.
Eigenschaften beim Abschalten (im Vergleich zur 1200-V-Ausführung)

<Terminologie>

• Body-Diode
Diese störende Diode bildet sich in einem MOSFET aufgrund seiner Konstruktion. Da für den Wechselrichterbetrieb Strom durch diese Diode fließt, benötigt sie eine niedrige Durchlassspannung (VF ) und eine schnelle Erholfähigkeit.

• Tailstrom
Dieser transiente Strom fließ durch einen IGBT, wenn dieser ausgeschaltet wird. Er entsteht durch die Speicherzeit von Dotierungen. In dieser Zeit kommt es zu einer starken Entladungsspannung, wodurch erhebliche Schaltverluste entstehen.

• IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode)
Dieser Leistungstransistor zeichnet sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand aus, da der Strom durch Elektronen und Dotierungen fließt. Aufgrund der Speicherzeit von Dotierungen eignet er sich nicht für extrem schnellen Prozesse, die zu hohen Schaltverlusten führen.

• Durchlassspannung (VF)
Diese Spannung sinkt, sobald Durchlassstrom durch die Diode fließt. Je niedriger die Durchlassspannung ist, umso geringer ist der Stromverbrauch.

• Einschaltwiderstand
Hierbei handelt es sich um einen Widerstandswert eines Leistungselements, das in Betrieb ist. Der Einschaltwiderstand ist der wichtigste Parameter, der Einfluss auf die Leistung von Leistungs-MOSFETs hat. Je niedrigerer der Einschaltwiderstand ist, umso höher ist die Leistung.

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