Herkömmliche Silizium-basierte MOSFETs und IGBTs, die über Jahre hinweg kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert wurden, stoßen bei Anwendungen mit höheren Schaltfrequenzen, größerer Wärmeabfuhrkapazität sowie geringerem Gewicht und kleineren Abmessungen an ihre Grenzen.
Siliziumkarbid (SiC) ist ein Breitband-Halbleiter, der die Einschränkungen der Siliziumtechnologie überwindet, indem er bei höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen ohne Beschädigung arbeitet. Mehr als zehn Jahre nach seiner Markteinführung hat SiC einen Reifegrad und eine Zuverlässigkeit erreicht, die seinen Einsatz in kritischsten Anwendungen wie der Automobilindustrie, der erneuerbaren Energien, Rechenzentren und der Luft- und Raumfahrt ermöglichen.

Microchip
Technology, ein führender Halbleiteranbieter für eingebettete, intelligente, vernetzte und sichere Steuerungslösungen, bietet das branchenweit breiteste und flexibelste Portfolio an Schottky-Barrieredioden (SBDs), MOSFETs und konfigurierbaren digitalen Gate-Treibern in Bare-Die-, diskreten und Leistungsmodul-Ausführung (Abbildung 1). Microchip kann Leistungsmodule auch kundenspezifisch an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen.

Mit über zwei Jahrzehnten Erfahrung in der SiC-Entwicklung bieten die SiC-Lösungen von Microchip erstklassige Leistung, Robustheit und Zuverlässigkeit und ermöglichen es Entwicklern, Entwicklungskosten und Markteinführungszeiten zu reduzieren. Microchip bietet zudem branchenweit kurze Lieferzeiten für SiC-Bauteile. Dies wird durch einen Multi-Source-Ansatz bei der Beschaffung von Epi-Wafern und zwei SiC-Fertigungsanlagen ermöglicht und bietet Kunden Versorgungssicherheit.
Die Robustheit der SiC-MOSFETs von Microchip wird durch ein präzises Design optimiert, das eine höhere repetitive nicht-blockierende induktive Schaltfähigkeit (UIS) gewährleistet und somit den Einsatz eines Snubbers zum Schutz des SiC-MOSFETs vor Lawinenspannungsspitzen überflüssig macht. Wird der Stromfluss durch eine Induktivität abrupt unterbrochen, induziert das Magnetfeld eine induzierte Gegenspannung (EMK), die sehr hohe Spannungen am MOSFET selbst erzeugen kann. Daher ist eine hohe Robustheit für Leistungshalbleiter unerlässlich. Diese Robustheit wird hier als die Fähigkeit definiert, der Degradation des SiC-MOSFETs bei Einwirkung von UIS (unvorhergesehener Kurzschlussspannung) zu widerstehen. Andernfalls sind zusätzliche Komponenten erforderlich, um den SiC-MOSFET vor Lawinenspannungen zu schützen. Neben der UIS-Resistenz bieten die SiC-MOSFETs von Microchip ein IGBT-ähnliches Kurzschlussverhalten, um unerwartete Systemtransienten sicher abzufangen.
Um den Anforderungen von Leistungsanwendungen gerecht zu werden, die hohe Schaltfrequenzen und Betriebsspannungen zur Effizienzsteigerung und Reduzierung von Gewicht und Größe der Lösungen nutzen (z. B. Elektromobilität, erneuerbare Energien, Luft- und Raumfahrt sowie industrielle Anwendungen), hat Microchip kürzlich 3,3-kV-SiC-MOSFETs mit dem branchenweit niedrigsten RDS(on)-Wert (bis zu 25 mΩ) und SiC-SBDs mit der branchenweit höchsten Strombelastbarkeit (90 A) vorgestellt.
Während 3,3-kV-IGBTs derzeit in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, ist ihre Schaltgeschwindigkeit begrenzt, was zu hohen Schaltverlusten und großen Systemabmessungen führt. Im Gegensatz dazu ermöglichen 3,3-kV-SiC-MOSFETs Entwicklern, Verluste, Größe und Gewicht zu reduzieren sowie mehrstufige Systeme in einfache zweistufige Designs zu vereinfachen. Beide Bauelemente sind als Chip oder Gehäuse erhältlich.

SiC: Vorteile und Anwendungen
Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Leistungshalbleitern wie MOSFETs und IGBTs bieten die SiC-Lösungen von Microchip folgende entscheidende Vorteile:
- Höhere Sperrschichttemperatur und bessere Kühlung; niedrigerer RDS(on)-Wert und höherer Wirkungsgrad;
- dreifach höhere Wärmeleitfähigkeit, was zu höherer Leistungsdichte und höherer Strombelastbarkeit führt;
- doppelt so hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit, was schnelleres Schalten und eine geringere Größe ermöglicht (zusätzlich ermöglicht die höhere Schaltfrequenz die Verwendung kleinerer Magnete, Transformatoren, Filter und passiver Bauelemente, wodurch der Platzbedarf der Lösung reduziert wird);
- geringere Schaltverluste
; - zehnfach geringere Ausfallrate aufgrund von Neutronenempfindlichkeit als vergleichbare IGBTs bei Nennspannungen;
- extrem niedrige Streuinduktivität.

SiC-Bauelemente lassen sich auch mit anderen Microchip-Produkten wie Mikrocontrollern, integrierten Schaltkreisen für das Energiemanagement, analogen Sensoren, drahtlosen Transceivern und Touch- sowie Gestensteuerungen kombinieren, um Komplettlösungen zu reduzierten Kosten zu realisieren.
Typische Märkte und Anwendungen für Microchip-SiC-Produkte sind:
– Transportwesen: Die hohe Robustheit und Betriebsspannung von SiC-Bauelementen sind essenziell für die Entwicklung effizienter Wechselrichter und Spannungswandler sowie von Schutzvorrichtungen für Elektrofahrzeuge (Pkw, Busse, Lkw, Züge, Schiffe, eVTOLs und Flugzeuge) und Ladeinfrastruktur.
– Industrie: Hohe Schaltfrequenz, geringe Verluste und exzellentes Wärmemanagement machen SiC-Bauelemente ideal für Anwendungen wie Motorsteuerung, Schaltnetzteile, USV-Systeme, Löten und Induktionserwärmung.
– Erneuerbare Energien: SiC-basierte Wechselrichter können in Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen eingesetzt werden, um Leistungsverluste zu reduzieren und die Effizienz zu steigern.
– Medizin: Diagnosegeräte wie MRT- und Röntgengeräte benötigen zuverlässige, robuste und effiziente Stromversorgungen.
Luft- und Raumfahrt/Verteidigung: Die Eigenschaften von SiC ermöglichen den Betrieb von Netzteilen auf Basis dieses Materials bei hohen Spannungen und Temperaturen ohne Beschädigung. Das SiC-Produktportfolio von Microchip umfasst die Produktfamilien BL1, BL2 und BL3 von netzteillosen Leistungsmodulen, die mehrere Validierungstests gemäß RTCA DO-160G bestanden haben und bereits für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, einschließlich Fracht- und Schwerlastdrohnen, qualifiziert sind.

Der Vergleich der Temperaturabhängigkeit des RDS(on) in Si und SiC ist von großer Bedeutung. Bei Si-MOSFETs ist die Temperaturabhängigkeit des RDS(on) (siehe Abbildung 2) unabhängig von der Nennspannung des Bauelements, da die Elektronenbeweglichkeit in Si-MOSFETs hauptsächlich durch die thermische Dispersion bestimmt wird. Im Temperaturbereich zwischen 25 °C und 150 °C steigt der RDS(on) um etwa das 2,7-Fache.

Abbildung 2: RDS(on) in Abhängigkeit von der Temperatur im Si-MOSFET

In Abbildung 3 ist jedoch der gleiche Kurvenverlauf für ein 1200-V-SiC-Bauelement der Microchip-Familie zu sehen. In diesem Fall variiert der RDS(on)-Wert im Temperaturbereich von 25 °C bis 175 °C typischerweise zwischen 1,5 und 1,8. Im Vergleich zur vorherigen Kurve verläuft sie daher nahezu flach.

Abbildung 3: RDS(on) in Abhängigkeit von der Temperatur an einem 1200-V-SiC-Bauelement

Programmierbare digitale Gate-Treiber:
Um die kritischen Herausforderungen beim Betrieb von SiC- und IGBT-Leistungshalbleitern mit höheren Schaltfrequenzen zu bewältigen, hat Microchip die AgileSwitch®-Familie konfigurierbarer digitaler Gate-Treiber entwickelt. Insbesondere SiC-MOSFETs müssen durch die präzise Einstellung der Gate-Steuerungsparameter angesteuert werden. Andernfalls können Abschaltspitzen, Brummen, elektromagnetische Störungen und DSAT (Distributed Single-Action) zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen.
AgileSwitch-Treiber ermöglichen es Entwicklern, SiC-basierte Anwendungen mit erweiterter Schalttechnologie zu steuern, zu überwachen und zu schützen. Sie bieten bis zu sieben Fehler- und Schutzmeldungen für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb. Microchip bietet ein komplettes Sortiment an Moduladapterplatinen und Gate-Treiberkernen sowie Plug-and-Play-Gate-Treiberplatinen für eine Vielzahl von SiC-Leistungsmodulen.

Abbildung 4 zeigt einen AgileSwitch SiC-Zweikanal-Gate-Treiberkern für 1200-V-SiC-Module. Diese Gate-Treiberkerne, die die Augmented-Switching-Steuerungstechnologie nutzen, verfügen über einen robusten Kurzschlussschutz und sind vollständig per Software konfigurierbar, einschließlich der Gate-Versorgungsspannungen von ±Vgs. Da SiC-Bauelemente Kurzschlüsse für eine sehr kurze Zeit (ca. 2–3 µs) überstehen können, ist es unerlässlich, geeignete Kurzschlussschutzparameter für den Gate-Treiber zu wählen.

Abbildung 4: Zweikanaliger, konfigurierbarer digitaler Gate-Treiberkern für 1200 V SiC

Im Gegensatz zu herkömmlichen analogen Gate-Treibern ermöglichen diese digitalen Gate-Treiber Schaltfrequenzen von bis zu 200 kHz und sind vollständig softwarekonfigurierbar. Sie verhindern Fehlalarme und reduzieren Brummgeräusche, elektromagnetische Störungen (EMI), Überschwingen und Unterschwingen in SiC- und IGBT-Leistungsmodulen. Der digitale Gate-Treiberkern ist mit der Adapterplatine des Moduls verbunden und ermöglicht es Entwicklern, Modul und Gate-Treiber schnell zu evaluieren und so die Markteinführungszeit zu verkürzen.
Der in Abbildung 4 dargestellte Gate-Treiber liefert einen Spitzenstrom von bis zu 10 A und verfügt über einen isolierten DC/DC-Wandler (mit konfigurierbarer Ausgangsspannung) sowie eine Isolationsbarriere mit niedriger Kapazität für PWM-Signale und Fehlerrückmeldung. Das Intelligent Configuration Tool (ICT) ist eine grafische Benutzeroberfläche, mit der Anwender relevante Gate-Treiberparameter schnell konfigurieren können, ohne die Hardware ändern zu müssen. Zu den konfigurierbaren Funktionen gehören erhöhte Ein- und Ausschaltleistung, ±Vgs Gate-Spannungen (positive Vgs von 15 V bis 21 V, negative Vgs von -5 V bis 0 V), Unterspannungs- und Überspannungssperre der Stromversorgung, Einstellungen zur Desaturierungserkennung, Totzeit, Fehlersperre und Rücksetzeinstellungen.

Entwicklungskits und Tools:
Das SiC-Produktportfolio von Microchip wird durch eine breite Auswahl an SPICE-SiC-Modellen unterstützt, die mit MPLAB® Mindi-Analogsimulatormodulen und Referenzdesigns für Treiberplatinen kompatibel sind. Darüber hinaus ermöglicht das Intelligent Configuration Tool (ICT) Entwicklern die Konfiguration relevanter SiC-Gate-Treiberparameter für die AgileSwitch-Familie konfigurierbarer digitaler Gate-Treiber von Microchip. Über die ICT-Oberfläche (siehe Abbildung 5) können verschiedene Gate-Treiberparameter konfiguriert werden, darunter Gate-Schaltprofile, kritische Systemmonitore und Treiberschnittstelleneinstellungen. Neue Bauelemente lassen sich schnell und einfach charakterisieren, indem die Treibereinstellungen im Labor oder im Feld ohne Löten geändert werden. Das Ergebnis ist ein kundenspezifischer Gate-Treiber, der ohne Hardwareänderungen optimal auf die Anwendungsanforderungen abgestimmt ist. Um die Markteinführungszeit weiter zu verkürzen, enthalten die Accelerated Development Kits ASDAK (ohne SiC-Modul) und ASDAK+ (mit SiC-Modul) die notwendigen Hardware- und Softwarekomponenten zur Optimierung der Leistung von SiC-Modulen und Stromversorgungssystemen und können Entwicklern drei bis sechs Monate Entwicklungszeit für neue Designs einsparen.

Abbildung 5: Screenshot des intelligenten Konfigurationstools

AUTOR: Perry Schugart, Technischer Ingenieur – Produktmarketing, Microchip Technology