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Was sind SiC-Leistungsgeräte?

SiC-MOSFET-Merkmale

1. Gerätestruktur und Merkmale

Bei Silizium kommt es bei einem Anstieg der Stehspannung auch zu einer Steigerung des Widerstands pro Einheitsfläche (etwa um das Quadrat zur 2,5. Leistung der Stehspannung). Aus diesem Grund werden primär IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors, bipolare Isolierschicht-Transistoren) für Spannungen über 600 V eingesetzt.
IGBTs können geringere ON-Widerstände als MOSFETs bieten, durch Leitfähigkeitsmodulation an den Stellen, an denen Minoritätsträger (Löcher) in die Driftschicht injiziert werden. Dies führt jedoch zur Erzeugung von Tailstrom während der Abschaltung, der von der Ansammlung von Minoritätsträgern verursacht wird, was wiederum größere Schaltverluste zur Folge hat.
Im Vergleich dazu weisen SiC einen geringeren Driftschicht-Widerstand auf als Silizium-Geräte, wodurch der Bedarf nach einer Leitfähigkeitsmodulation eliminiert und eine hohe Stehspannung mit geringem Widerstand bei Nutzung in Hochgeschwindigkeitsgeräten wie MOSFETs ermöglicht wird.
Da im Grunde kein Tailstrom erzeugt wird, sollte ein Austausch der IGBTs durch SiC MOSFETs daher den Schaltverlust erheblich reduzieren, und eine Verringerung der Größe der Gegenmaßnahmen zur Kühlung wird ermöglicht.
Der Einsatz von SiC trägt durch den Hochfrequenzbetrieb ferner zu kleineren passiven Komponenten bei, die mit konventionellen IGBT-Lösungen nicht möglich sind. 600 V-900 V SiC MOSFETs bieten eine Reihe an zusätzlichen Vorteilen, einschließlich einem kleineren Chip-Bereich (wodurch kleinere Module ermöglicht werden) und einem erheblich geringeren Erholungsverlust. Infolgedessen hat sich die Anwendung ausgedehnt und umfasst nun auch die Leistungsversorgung industrieller Anlagen und Wechselrichter/ Wandler für hocheffiziente Leistungskonditionierer.

 Erheblich reduzierter Ausschaltverlust/ Betrieb bei höheren Frequenzen trägt zu einer größeren Miniaturisierung bei/ Kleinerer Chip-Bereich/ Erheblich geringerer Erholungsverlust
2. Normalisierter ON-Widerstand

SiC bietet das 10-fache der nicht leitenden elektrischen Durchbruchfeldstärke von Silizium, wodurch es ermöglicht wird, höhere Durchbruchspannungen durch geringere Widerstandsgröße und eine dünnere Driftschicht zu erzielen. .
Dies ermöglicht einen geringeren normalisierten ON-Widerstand (ON-Widerstand pro Einheitsfläche) bei derselben Stehspannung.
Bei 900 V und demselben ON-Widerstand kann die Chipgröße beispielsweise um das 35-fache gegenüber Silizium-MOSFETs und das 10-fache gegenüber SJ MOSFETs reduziert werden. Neben der Bereitstellung eines geringen ON-Widerstands in einem kompakten Formfaktor können auch die Gate-Ladung Qg und die Kapazität reduziert werden.
Normalerweise sind die SJ MOSFETs mit Stehspannungen von nur bis zu 900 V erhältlich.
Die Nutzung von SiC ermöglicht jedoch Spannungen über 1700 V mit geringem ON-Widerstand.
Tatsächlich macht SiC es möglich, Geräte zu entwickeln, die einen geringen ON-Widerstand, eine hohe Stehspannung und Hochgeschwindigkeitsschaltung kombinieren, wodurch der Bedarf an bipolaren Geräten wie IGBT (die einen geringen ON-Widerstand, aber langsame Schaltgeschwindigkeiten bieten) eliminiert wird.

3. Vd-Id Eigenschaften

SiC MOSFETs weisen keinen Spannungsanstieg auf, wie es bei IGBT der Fall ist, was zu einem geringen Leitungsverlust über den gesamten Strombereich führt. Darüber hinaus steigert sich der ON-Widerstand von Si MOSFETS bei Raumtemperatur um 100 % bei 150 C.
Mit SiC MOSFETs ist die Anstiegsrate jedoch relativ gering, wodurch das thermische Design vereinfacht wird, während gleichzeitig ein geringer ON-Widerstand selbst bei hohen Temperaturen sichergestellt wird.

Vds - Id (Ta=25 ℃) Vds - Id (Ta=150 ℃)

*Die Daten zeigen die Ergebnisse von Bewertungen an, die von ROHM unter denselben Bedingungen durchgeführt wurden

4. Antriebs-Gate-Spannung und ON-Widerstand

Obgleich die SiC MOSFETs einen geringeren Drift-Widerstand aufweisen als Si MOSFETs, ist die Mobilität des MOS-Kanalabschnitts auf dem aktuellen technischen Stand gering, was zu einem höheren Widerstand des MOS-Kanals führt.
Dies macht es möglich, einen geringeren ON-Widerstand bei höheren Gate-Spannungen zu erzielen (schrittweise Sättigung bei Vgs=20 V+).
Jedoch kann keine inhärente ON-Widerstandsleistung bei Antriebsspannungen gezeigt werden, die für standardmäßige IGBTs und Si MOSFETs (Vgs=10-15 V) verwendet werden. Daher wird für den Erhalt eines ausreichenden ON-Widerstands eine Antriebsspannung um Vgs=18 V empfohlen.

On-Widerstand vs Vgs