In der Leistungselektronik geben Normen Vorgaben, was nötig ist, um Hochvoltapplikationen zu realisieren. Aber die Bauteile sollen immer größere Schaltleistungen bei geringem Platzbedarf ermöglichen. Wie wählt der Entwickler die Bauelemente aus?

Siliziumkarbid-MOSFETs auf einem 150-mm-Wafer. Die Baureihe BT1M ist nach AEC-Q101 qualifiziert und speziell für Automobilanwendungen entwickelt. (Bild: Rutronik, Bosch)

Der Ruf nach hohen Schaltleistungen, wenig Platzbedarf, geringem Gewicht und höchstmöglichem Wirkungsgrad für Leistungselektronikapplikationen ist ungebrochen. Das macht die Bauteil-Auswahl für Anwendungen wie industrielle Motorsteuerungen, regenerative Stromerzeugung und Elektromobilität diffizil.

Die SiC-MOSFET-Reihe BT1M von Bosch ist nach AEC-Q101 qualifiziert und speziell für Automobilanwendungen entwickelt, die das schnelle Schalten hoher Leistungen erfordern. Leistungselektronische Systeme profitieren von hohen Schaltfrequenzen, denn sie ermöglichen dadurch den Einsatz von kleineren passiven Bauelementen. Mehr Effizienz, höhere Leistungsdichten, sowie die besondere Widerstandsfähigkeit des verwendeten Gateoxids und die Kurzschlußfestigkeit sorgen für eine verlässliche Performance.

Die Bauteile der Spannungsklasse 1200 V sind bereits in den Markt eingeführt, die 750-V-Typen werden 2023 folgen (Tabellen 1 und 2). Sie adressieren Leistungselektroniken mit Systemspannungen um typisch 800 V bzw. 400 V. Eine Spannungsfestigkeit von 750 V gibt dem Anwender der schnellschaltenden SiC-Komponenten mehr Sicherheit gegen mögliche Überspannungen.

Die Leistungsschalter sind entweder gehäust oder als ungehäuste Dies (engl. bare dies) erhältlich. Das neu entwickelte SMD-Package TO263-7 (D2-PAK-7) zeichnet sich durch eine vergrößerte Kriechstrecke zwischen Rückseitenkontakt und Anschlusspins aus. Spezielle Anforderungen an die Platine oder zusätzliche Schutzmaßnahmen gegen Kriechströme werden dadurch überflüssig. Damit wird die Applikation in Summe kostengünstiger.

Die eigens entwickelte Dual-Channel Trench-Gate-Technologie erlaubt die niederohmige Auslegung der MOSFETs sowie einen niedrigen internen Gate-Widerstand von weniger als 1 Ω. Damit sind die Voraussetzungen für eine hohe Steilheit (di/dt) des Laststromes gegeben. Die daraus resultierende Reduktion der Schaltverluste und Realisierung hoher Schaltfrequenzen steigert die Effizienz.

Allerdings hat schnelles Schalten auch Nebenwirkungen. Die steilen Schaltflanken regen Schwingkreise aus unvermeidbaren parasitären Induktivitäten und Kapazitäten zu Aus- und Einschwingvorgängen an, mit Spitzenwerten von Strom und Spannung, die die Komponenten in der Schaltung überlasten können. Dazu trägt jeder SiC-MOSFET mit seinen internen Kapazitäten und Induktivitäten mit bei. Zur Verbesserung eignet sich ein zusätzlicher externer Widerstand in der Gate-Leitung, der einen Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Schwingneigung erlaubt.

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Eine gute Auslegung und die hohe Qualität des verwendeten Gateoxids ermöglichen einen weiten Steuerspannungsbereich des Gates von -5 V bis +18 V, für kurze Pulse sogar von -11 V bis +23 V. Dieser Gate-Spannungsbereich führt in Verbindung mit der hohen Gate-Threshold-Spannung von 3,5 V zu einem guten Sicherheitsabstand gegenüber ungewolltem Einschalten. Die Miller-Ratio wurde ebenfalls optimiert und hält mit einem typischen Wert von 1 Rückwirkungen des Ausgangs auf das Gate auf einem Minimum. Damit ist auch bei hohen Spannungssteilheiten (dV/dt) am Drain-Anschluss sicheres Schalten gewährleistet.

Gerade für die Leistungselektronik in Fahrzeugen ist ein sicheres Verhalten unter allen Umständen gefordert. Im Zusammenspiel mit aktuellen Treiberschaltungen erfordert dies einen Leistungsschalter, der einen lastseitigen Kurzschluss für typisch 3 µs ohne Beschädigung übersteht. Diese Zeit wird benötigt, um Schutzschaltungen den Kurzschluss erkennen zu lassen und die Laststromabschaltung auszulösen. Eine weitere Erhöhung dieser Kurzschlusszeit hätte eine Erhöhung des Einschaltwiderstandes (R(DSon)) zur Folge, was zu einem unerwünschten Leistungsverlust führt. Die Bosch-SiC-MOSFETs sind auf die Einhaltung der 3-µs-Dauer bei gleichzeitig bestmöglichem RDSon ausgelegt.

Die Rutronik Automotive Business Unit (ABU) sieht den Anwendungsschwerpunkt von Siliziumkarbid (SiC) für die nächsten drei Jahre vor allem im Mobility-Segment. Wirtschaftsanalysen erwarten einen Anstieg des Marktwertes auf Milliardenhöhe. Die hohe Nachfrage wird derzeit durch herstellerübergreifende, siebenstellige Investitionen beantwortet. Mit der Entwicklung eines Referenzdesigns für SiC-HV-Schalteranwendungen in Elektrofahrzeugen hat die ABU frühzeitig auf diesen Markttrend reagiert.

Durch den kontinuierlichen Halbleiter-Kapazitätsaufbau bei Bosch wird in Reutlingen auch für Siliziumkarbid-Lösungen weitere Fertigungsfläche geschaffen, um die steigenden Bedarfe des Markts decken zu können. Darüber hinaus beabsichtigt Bosch zwischen 2024 und 2026 den Umstieg auf 200-mm-Wafer. (na)

Product Sales Manager Automotive Business Unit bei Rutronik

Produktmanagement SiC-Komponenten, Geschäftsbereich Automotive Electronics, bei Robert Bosch

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