SiC-FET-Leistungsumwandlung – Ursprung und Entwicklung

Autor: Anup Bhalla, UnitedSiC

Wide-Bandgap-Halbleiter als Hochfrequenzschalter machen den Weg frei für einen besseren Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung. Ein Beispiel ist der SiC-FET, eine Kaskodenkombination aus einem SiC-JFET und einem Silizium-MOSFET. Dieser Artikel zeichnet die Ursprünge und die Entwicklung des SiC-FETs bis zu seiner neuesten Generation nach und vergleicht seine Leistung mit alternativen Technologien.

In der Welt der Leistungselektronik haben Ingenieure schon immer vom perfekten Halbleiterschalter geträumt, der keinerlei Leitungs- oder Schaltverluste hat, eine unbegrenzte Spannung ohne Verluste aufweist und leicht ansteuerbar ist. Leider handelt es sich wirklich nur um einen Wunschtraum – aus physikalischen Gründen. Mit den neuesten SiC-FET Halbleitern mit großer Bandlücke (Wide Bandgap, WBG) kommen wir jedoch dem Ideal schon ziemlich nahe. Sie erschließen neue Anwendungen, verbessern die Effizienz alter Anwendungen und helfen, Energie und Kosten zu sparen.

Die Entwicklung

Obwohl Feldeffekttransistoren (FETs) bereits in den 1930er Jahren erfunden und patentiert wurden, war damals noch keine entsprechende Fertigungstechnologie vorhanden, so dass die ersten schaltenden Leistungswandler bipolare Germanium-Sperrschicht-Transistoren (BJTs, Bipolar Junction Transistors) verwendeten. Diese funktionierten schlecht, wiesen hohe Verluste auf und boten nur sehr begrenzte Nennwerte. Silizium-BJTs stellten einen Fortschritt dar, beherrschten bald den Markt und kommen auch heute noch gelegentlich für sehr leistungsarme/kostengünstige Wandler zum Einsatz. Allerdings kann der BJT-Wirkungsgrad aufgrund von Schaltverlusten schlecht sein, es sei denn, die Frequenz wird sehr niedrig gehalten. Das geschieht durch Einsatz großer magnetischer Komponenten, was dem Trend zur Miniaturisierung zuwiderläuft.

In den späten 70er und frühen 80er Jahren kamen MOSFETs auf den Markt, deren Nennwerte für Wandler mit geringer Leistung geeignet waren. Der Durchbruch gelang jedoch mit der Kombination von MOSFET- und BJT-Technologien in Form von IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Diese waren einfach anzusteuern und standen mit hohen Spannungswerten bei geringen Leitungsverlusten, auch bei hohem Strom, zur Verfügung. Die Geräte wurden zur bevorzugten Lösung bei hohen Leistungen und erreichen auch heute noch große Marktanteile bei Wechselrichtern und Motorantrieben. Vom perfekten Schalter sind sie allerdings noch ein gutes Stück entfernt, hauptsächlich aufgrund der Schaltverluste, die insbesondere beim Abschalten durch den „Schweif“-Strom (Tail Current) entstehen, der die Betriebsfrequenz bestenfalls auf einige zehn kHz begrenzt. Das führt dazu, dass die zugehörige Magnetik groß, schwer, verlustbehaftet und teuer ist.

In der Zwischenzeit sind verbesserte Silizium-MOSFETs auf den Markt gekommen, und die neuesten „Superjunction“-Typen haben einen ausreichend niedrigen Einschaltwiderstand, um mit IGBTs bis in den kW-Bereich mithalten zu können, mit dem Vorteil einer potenziell sehr hohen Betriebsfrequenz und allen damit verbundenen Pluspunkten. Bei höheren Leistungen führen die höheren Ströme jedoch immer noch zu inakzeptablen I2R-Verlusten im Einschaltwiderstand wegen des „quadratischen“ Effekts. Aufgrund der Forderung nach immer höheren Wirkungsgraden auch bei niedriger Leistung suchen Ingenieure jetzt nach Alternativen zu Silizium, um eine Verbesserung zu erzielen. Die Wide-Bandgap-Materialien (WBG) Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) eignen sich aufgrund ihres geringeren Einschaltwiderstandes pro Die-Flächeneinheit und der besseren Sättigungsgeschwindigkeit der Elektronen. Sie bieten auch andere Vorteile, wie z. B. eine höhere kritische Durchbruchspannung pro Millimeter, was zu kleineren Chipgrößen mit daraus resultierenden geringeren Kapazitäten und höherer potentieller Schaltgeschwindigkeit führt. SiC hat auch eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Silizium oder GaN, was zusammen mit der höheren Sperrschichttemperatur eine höhere Verlustleistung aus einem gegebenen Chip und Gehäuse ermöglicht (Bild 1). 

Herausforderungen bei WBG-Geräten

Als WBG-Vorreiter kämpfen SiC-MOSFETs jedoch immer noch mit Herausforderungen, da sie von Natur aus eine höhere Anzahl von Gitterdefekten als Silizium aufweisen, was zu einer geringeren Elektronenabwanderung und einem höheren Einschaltwiderstand führt. Die Gate-Schwellenspannung weist ebenfalls eine signifikante Instabilität und Hysterese auf, während eine Degradation des Gate-Oxids nach Stressereignissen wie Kurzschlüssen und Überspannungen beobachtet wurde. Ein unerwartetes Problem trat auch mit „Basalebenenversetzungen“ (Basal Plane Dislocation, BPD) oder Bulk-Gitterdefekten auf, die unter bestimmten Umständen wachsen und wandern können, was wiederum den Einschaltwiderstand und den Leckstrom erhöhte. Prozessoptimierungen haben die Situation erheblich verbessert, aber die Hersteller verlassen sich immer noch stark auf das Defektscreening während der Fertigung, um die Fehlerrate im Feld niedrig zu halten. Das ist allerdings verbunden mit Kosten pro Die. SiC-MOSFETs haben auch besondere Anforderungen an die Gate-Ansteuerung – um den niedrigsten Einschaltwiderstand zu erreichen, muss die Gate-Spannung nahe dem absoluten Maximum liegen. Daher ist der Schutz vor Überspannungstransienten wichtig.

Der SiC-FET – ein alternativer Ansatz

Während viele Hersteller auf SiC-MOSFETs beharrten, kam als Alternative die Verwendung von SiC-JFETs in Betracht, die viele der MOSFET-Probleme nicht aufweisen. JFETs sind jedoch Normally-ON-Bausteine, was in praktischen Schaltungen unerwünscht ist. Daher wurde das Konzept einer „Kaskode“ wieder aufgegriffen. Es handelt sich um die Kombination aus einem Hochspannungs-SiC-JFET und einem Niederspannungs-Silizium-MOSFET, der mitverbaut wird. Zusammen haben diese die Bezeichnung „SiC-FET“ erhalten (Bild 2). Es handelt sich um einen selbstsperrenden Baustein (Normally-OFF) mit allen Vorteilen von Wide-Bandgap. Er verfügt über eine einfache, unkritische Gate-Ansteuerung des Si-MOSFETs, der als Niederspannungstyp ein sehr robustes Gate-Oxid und einen niedrigen Einschaltwiderstand aufweist.

Es gibt viele elektrische und praktische Vorteile des SiC-FET gegenüber einem SiC-MOSFET. Zum Beispiel hat der SiC-JFET von Natur aus eine viel bessere Beweglichkeit der Elektronen im Kanal. Der Kanal ist auch kürzer, so dass bei gegebener Die-Fläche der Einschaltwiderstand des SiC-FET 2-4-mal geringer ist oder alternativ bis zu viermal mehr Dies pro Wafer erreichbar sind als mit einem SiC-MOSFET bei gleichem Einschaltwiderstand. Im Vergleich zu einem Silizium-Superjunction-MOSFET kann der Wert bis zu 13-mal betragen. Die bessere Leistung hilft, die höheren Materialkosten von SiC im Vergleich zu Silizium auszugleichen. Für einen aussagekräftigen Vergleich ist das Produkt aus Einschaltwiderstand und Die-Fläche RDS*A ein nützliches Maß. Aufgrund des kleineren Die bei gleichem Leitungsverlust haben SiC-FETs geringere Komponentenkapazitäten und folglich geringere Schaltverluste als SiC-MOSFETs, beschrieben durch die „Kennzahl“ Einschaltwiderstand x Schaltenergie, RDS*EOSS.

Das Gate des SiC-FETs ist einfach das Gate des in der Kaskode verbauten Si-MOSFETs. Es hat einen stabilen, hysteresefreien Schwellenwert von ca. 5 V und lässt sich daher leicht mit 12 V oder 15 V voll antreiben, kompatibel zu IGBT- und Si-MOSFET-Pegeln, mit einer großen Spanne bis zum absoluten Maximum von typischerweise 25 V. Die Miller-Kapazität ist aufgrund der kleinen Bauelementabmessungen und der isolierenden Wirkung des Si-MOSFETs praktisch nicht vorhanden, so dass das Schalten sehr schnell und verlustarm erfolgt, was auch durch die niedrige Ausgangskapazität des SiC-JFETs unterstützt wird. In der Praxis dient eine absichtliche Verlangsamung der Flanken zur Kontrolle von EMS-Emissionen und Spannungsspitzen, was durch einen zusätzlichen Gate-Widerstand oder, noch effektiver, durch einen kleinen RC-Dämpfer (Snubber) erleichtert wird.

Umgekehrter Stromfluss (Reverse Recovery)

Die Fähigkeit, den Stromfluss effizient umzukehren, ist oft ein Hauptanliegen bei Leistungsschaltern – IGBTs können das nicht und benötigen daher eine Paralelldiode, während Si- und SiC-MOSFETs über eine Bodydiode verfügen. Die Diode in einem SiC-MOSFET hat eine beträchtliche Reverse-Recovery-Energie, so dass sie eine gewisse Leistung abgibt und ihr Vorwärtsspannungsabfall mit etwa 4 V auf hohem Niveau liegt. GaN-HEMT-Zellen kehren den Stromfluss ohne Reverse Recovery um, aber auch hier ist der Spannungsabfall hoch und hängt von der Gate-Sperrspannung und dem Kanalwiderstand ab. Der Spannungsabfall kann hier mehrere Volt betragen. Der SiC-FET hingegen besitzt eine Bodydiode mit den Eigenschaften des in der Kaskode verbauten Niederspannungs-Si-MOSFETs, so dass sein Vorwärtsspannungsabfall bei etwa 1,5 V liegt und die Reverse-Recovery-Energie sehr gering ist, nur etwa ein Drittel derjenigen eines SiC-MOSFETs. Die bessere Leistung der SiC-FETs ermöglicht effektiv Anwendungen, die Si-MOSFETs nicht erfüllen können, wie z.B. die schnellen Schaltungen in „Totem-Pole“-PFC-Stufen (Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrektur). Bild 3 zeigt die Reverse-Recovery-Eigenschaften eines SiC-FET und eines Superjunction-MOSFET im Vergleich bei Komponenten vergleichbarer Spannungsklasse.

SiC-FETs sind zuverlässig

Natürlich müssen sich Ingenieure auf die Zuverlässigkeit der Bauelemente stützen können, aber SiC gilt mittlerweile als ausgereifte Technologie mit guten Daten zur Zuverlässigkeit im Feld und im Experiment. Der SiC-FET hat auch den Vorteil, dass er kein SiC-Gate-Oxid mit den bekannten Degradationsproblemen aufweist. Das Gate der Kaskodenanordnung ist das eines robusten Niederspannungs-Si-MOSFETs mit hoher Schwellenspannung und dicker Oxidschicht, das zusätzlich durch integrierte Zener-Klemmen geschützt wird. SiC-FETs haben im Gegensatz zu GaN-Zellen einen Avalanche-Wert und sind von Natur aus kurzschlussfest mit einem Kanal-„Pinch-off“-Effekt, der im Gegensatz zu MOSFETs und IGBTs bemerkenswert konsistent und unabhängig von der Gate-Spannung ist. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des Kanalwiderstands verringert sich der Kurzschlussstrom bei SiC-FETs mit der Zeit und gleicht sich über die Zellen im Die aus, was die Zuverlässigkeit erhöht. 
Vor kurzem auf dem Markt eingeführte SiC-FET-Bauelemente verfügen über eine silbergesinterte Chip-Befestigungstechnologie (Die Attach). Dies ermöglicht eine sechsfache Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Verbindung im Vergleich zu Loten, wodurch der Anstieg der Sperrschichttemperatur niedrig und die Zuverlässigkeit hoch bleibt.

Neueste SiC-FET-Entwicklungen

Seit ihrer Einführung haben sich die SiC-FETs selbst bis zur aktuellen 4. Generation weiterentwickelt. Die Nennspannungen haben sich erhöht und der Einschaltwiderstand hat sich soweit verringert, dass das Substrat nun der begrenzende Faktor ist und durch Dünnen von Wafern mittlerweile weitere Vorteile erreichbar sind. Die Verbesserungen des dynamischen Verhaltens sorgen dafür, dass die Bauteile mit hohem Wirkungsgrad in hart geschalteten Topologien und bei sehr hoher Frequenz im weich geschalteten Betrieb wie in LLC- oder phasenverschobenen Vollbrückenschaltungen einsetzbar sind.

Die Montageoptionen für SiC-FETs haben sich ebenfalls erweitert – von nebeneinander angeordneten, mitverbauten Dies in TO-247- und TO-220-Gehäusen bis hin zu „gestapelten“ Die-Anordnungen. Die Einführung von Bleibeschichtungen bei „Kelvin“-Source-Anschlüssen sorgt für die Vermeidung von Problemen mit der gemeinsamen Induktivität in der Gate-Ansteuerungsschleife. In jüngster Zeit gibt es bleifreie DFN8x8-Gehäuse auf dem Markt für niedrigste Anschlussinduktivität und MHz-Schaltung.  

Warum SiC-FETs überzeugen

Mit der neuesten Generation von SiC-FETs, die sich durch geringste Verluste und eine einfache Implementierung zu einem immer attraktiveren Preis auszeichnen, ist die Idealvorstellung eines Schalters ein Stück näher an die Realität gerückt. Die Bausteine sind bei UnitedSiC erhältlich und haben Nennspannungen von 650 V bis 1700 V mit Einschaltwiderständen bis zu 25 Milliohm. Als Design-Hilfe ermöglicht der kostenlose FET JET Calculator auf der Website von UnitedSiC eine schnelle Auswahl und Leistungsvorhersage aller Komponenten dieses Unternehmens in einer Auswahl von Leistungswandler-Topologien, einschließlich PFC-Stufen und isolierten/nicht isolierten DC-DC-Wandlern.