Schnelle Schaltvorgänge mit SiC-MOSFETs: weshalb der Gate-Treiber über die Zuverlässigkeit und Effizienz einer Schaltung entscheidet

Was der Miller-Effekt für einen Einfluss hat und wie Entwickler damit umgehen können, beschreibt die Application Note der Firma Inventchip Technology IVCT detailliert in den fünf wichtigsten Erkenntnissen. Der zentrale Punkt: Bei schnellen SiC-Schaltern entscheidet das Zusammenspiel aus MOSFET, Gate-Treiber, Gate-Widerständen, Abschaltspannung, Gehäuse, Leiterplattenlayout und Messaufbau über die Robustheit des Designs und ermöglicht ein zuverlässiges Gesamtsystem. Wer diese Aspekte früh berücksichtigt, kann Kurzschlüsse, übermässiges Störspektrum, eine zu hohe Gate-Belastung und spätere Redesigns vermeiden.

Exista ist der Schweizer Partner von Inventchip Technology und verfügt über eine grosse Expertise im Bereich Leistungselektronik. Dank umfassendem Know-how und Vor-Ort-Beratung wird eine effiziente und wirtschaftliche Evaluation der SiC-Komponenten ermöglicht und das Anwendungs-Engineering deutlich verbessert.

«SiC-Bauteile verlangen tiefes Applikationswissen. Wir bei Exista verstehen viel von Leistungselektronik und kennen die Anwendungsgebiete unserer Kunden aus dem Effeff. Die Unterstützung von Entwicklern bei der richtigen Bauteileauswahl gehört bei uns zur Basisdienstleistung.»

Matthias Schütz, Key Account Manager Exista

Schreiben Sie uns oder rufen Sie uns an. Wir stellen Ihnen die Application Note «Miller Effect and Parasitic Turn-On with SiC-MOSFETs» kostenlos zur Verfügung und beraten Sie gerne bei Ihrem Projekt. Für den Test der Treiber oder für eine SiC-Bauteilequalifizierung stehen diverse funktionsfähige Evaluation-Boards mit Layoutvorschlägen zur Verfügung.

Illustration: Ersatzschaltbild eines MOSFET

Schnelles Schalten kann zum parasitären Einschalten führen

Je schneller sich die Drain-Source-Spannung ändert, desto grösser ist der über die Gate-Drain-Kapazität eingekoppelte Miller-Strom. Dadurch kann die Gate-Spannung des eigentlich ausgeschalteten MOSFETs während der Totzeit über die Schwellspannung steigen. Im schlimmsten Fall leiten beide MOSFETs einer Halbbrücke gleichzeitig, was zwangsläufig zum Kurzschluss führt.

Der MOSFET muss auch nach seinem Miller-Verhalten ausgewählt werden

Für die Auswahl zählt nicht nur der Widerstand des Chips oder die Strombelastbarkeit. Wichtig ist auch das Verhältnis zwischen Gate-Drain- und Gate-Source-Kapazität. Eine kleine Kapazität C (GD) im Verhältnis zu C (GS) macht den MOSFET weniger empfindlich gegenüber hohen dv/dt-Werten an der Drain Source. Der Report zeigt, dass sich verschiedene SiC-MOSFETs bei gleichen Schaltbedingungen deutlich unterschiedlich verhalten können.

Negative Abschaltspannung und Active Miller Clamp erhöhen die Störfestigkeit

Eine negative Gate-Abschaltspannung schafft zusätzlichen Abstand zur Einschalt-Schwellspannung. Dadurch verhindert sie aktiv, dass eine durch die Miller-Kapazität verursachte positive Spannungsspitze ein ungewolltes Einschalten auslöst. Eine aktive Miller Clamp-Funktion im Treiber leitet den eingekoppelten Miller-Strom während der kritischen Phase aktiv ab, ohne den Gate-Widerstand für den gesamten Schaltvorgang unnötig klein wählen zu müssen.

Das Layout ist ein Teil der elektrischen Schaltung

Bei den hohen Spannungs- und Stromänderungen bei SiC-MOSFETs wirken Leitungen und Anschlussflächen empfindlich auf die ganze Schaltung. Lange Gate-Leitungen, ungünstige Source-Rückführungen und grosse Schleifeninduktivitäten können zusätzliche Überschwinger erzeugen, selbst wenn die Gate-Spannung am Treiberausgang sauber aussieht. Vier-Pin-Gehäuse mit Kelvin-Source-Anschluss und eine kurze, niederinduktive Gate Ansteuerung können die Robustheit deutlich verbessern.

Ein Double-Pulse-Test sollte zum Standard gehören

Die tatsächliche Gate-Spannung muss unter realen Schaltbedingungen am MOSFET überprüft werden. Dabei sind sowohl positive als auch negative Spannungsspitzen zu untersuchen, und zwar mit dem echten Layout, dem vorgesehenen Gate-Treiber sowie unterschiedlichen Last- und Temperaturbedingungen. Eine längere Totzeit allein ist kein vollständiger Schutz, denn ein parasitäres Einschalten kann auch während der Totzeit auftreten.