SiC- und GaN-Transistoren

Das 65-W-Ladegerät für den Laptop, das heute kaum größer ist als ein Handy-Netzteil von früher. Der Antriebsumrichter eines modernen Elektroautos, der ein paar Prozent mehr Reichweite herausholt. Die Wallbox, der Solarwechselrichter auf dem Dach, das Netzteil im Rechenzentrum mit über 97 % Wirkungsgrad: Hinter all dem stecken Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Sie übernehmen Aufgaben, für die bisher der Silizium-MOSFET oder der IGBT zuständig waren, und schalten dabei schneller, verlustärmer und bei höheren Temperaturen. Dieser Artikel behandelt sie als Bauteile: wie sie aufgebaut sind, was in ihren Datenblättern steht und worauf du beim Ansteuern und beim Layout achten musst. Warum die Materialien so gut sind, erklärt der Grundlagenartikel Galliumnitrid.

Warum Wide-Bandgap?

SiC und GaN haben einen etwa dreimal so großen Bandabstand wie Silizium (rund 3,3 eV statt 1,1 eV) und vertragen eine etwa zehnmal so hohe elektrische Feldstärke. Für den Transistor heißt das: Die Schicht, die die Sperrspannung aufnimmt, kann bei gleicher Spannung rund zehnmal dünner und dabei höher dotiert sein. Der Durchlasswiderstand sinkt drastisch, und der Chip wird kleiner. Kleinere Chips haben kleinere Kapazitäten, und kleinere Kapazitäten bedeuten schnellere Schaltvorgänge mit weniger Verlusten. SiC leitet außerdem Wärme rund dreimal so gut wie Silizium. Hintergründe zum Bandabstand findest du unter Halbleiter.

SiC-MOSFET: Aufbau und Eigenschaften

Ein SiC-MOSFET ist aufgebaut wie ein Silizium-Leistungs-MOSFET: vertikal, mit Source und Gate auf der Oberseite und dem Drain auf der Rückseite. Der Strom fließt senkrecht durch den Chip. Weil keine p+-Kollektorschicht wie beim IGBT vorhanden ist, gibt es keinen Schweifstrom, und der Transistor schaltet so schnell wie ein MOSFET – bei Spannungen von 650 V bis 3,3 kV, wo Silizium-MOSFETs längst zu hochohmig wären.

Typische Eigenschaften:

• Gate-Spannung: Volle Leitfähigkeit erst bei +15 bis +18 V, je nach Generation. Ausgeschaltet wird mit 0 V oder besser mit −3 bis −5 V, weil die Schwellspannung niedrig ist (oft 2 bis 3 V) und mit der Temperatur weiter sinkt.
• Body-Diode: Vorhanden, aber mit hoher Flussspannung von 3 bis 4,5 V. Während der Totzeit in einer Halbbrücke kostet das spürbar Leistung. Man schaltet deshalb den MOSFET selbst so früh wie möglich ein (Synchrongleichrichtung).
• Kurzschlussfestigkeit: Kleinere Chips speichern weniger Wärme. Viele SiC-MOSFETs halten einen Kurzschluss nur 2 bis 3 µs aus statt 10 µs wie ein IGBT; der Schutz muss schneller reagieren.
• Temperatur: Der Durchlasswiderstand steigt mit der Temperatur deutlich weniger als bei Silizium-MOSFETs. Viele Typen sind bis 175 °C spezifiziert.

Als eigene Bauteile gibt es außerdem SiC-Schottky-Dioden. Sie haben praktisch keine Sperrverzögerungsladung und sind deshalb die Standarddiode in Leistungsfaktorkorrekturstufen von Netzteilen. Wie eine Schottky-Diode grundsätzlich funktioniert, steht unter Schottky-Diode.

GaN-HEMT: Aufbau und Eigenschaften

Ein GaN-Leistungstransistor ist fast immer ein HEMT: ein lateraler Transistor, bei dem Source, Gate und Drain nebeneinander auf der Oberseite liegen und der Strom in einem sehr dünnen Elektronengas an der Grenzfläche zwischen AlGaN und GaN fließt. Die GaN-Schichten wachsen meist auf einer günstigen Siliziumscheibe. Physik und Herstellung sind unter Galliumnitrid beschrieben; hier geht es um die Folgen für die Schaltung.

Von Natur aus ist ein HEMT selbstleitend. Für Leistungselektronik gibt es drei Lösungen:

• Selbstsperrender HEMT (E-Mode): Eine p-dotierte GaN-Schicht unter dem Gate schnürt den Kanal ab. Diese Typen brauchen etwa 5 bis 6 V am Gate und vertragen oft nur 7 V dauerhaft – deutlich weniger als ein Silizium-MOSFET.
• Kaskode: Ein selbstleitender GaN-HEMT in Reihe mit einem kleinen Niedervolt-Silizium-MOSFET. Von außen verhält sich das Paar wie ein normaler MOSFET mit ±20 V Gate-Spannung.
• GaN-IC: HEMT und Gate-Treiber auf einem Chip oder in einem Gehäuse, oft mit Strom- und Temperaturschutz. Das löst die meisten Ansteuerprobleme und sitzt in vielen USB-C-Ladegeräten.

Ein HEMT hat keine Body-Diode. Er leitet trotzdem rückwärts, sobald die Drain-Spannung unter die Gate-Spannung minus Schwellspannung fällt – mit einer Spannung von typisch 2 bis 3 V, mit negativer Gate-Spannung entsprechend mehr. Dafür gibt es keine Sperrverzögerungsladung. Die meisten GaN-Typen sind für 100 bis 650 V gebaut.

Kennwerte realer Typen

Die Tabelle zeigt die Unterschiede deutlich: Der GaN-HEMT braucht ein Fünftel der Gate-Ladung, sein Widerstand steigt aber bis 150 °C auf mehr als das Doppelte. Den Wert im heißen Zustand findest du im Datenblatt nur als Kurve – rechne trotzdem damit.

Rechnen mit Datenblattwerten

Beispiel – Durchlassverluste im heißen Zustand: Durch einen GS66508T fließen 10 A Effektivstrom. Bei 25 °C sind das P = (10 A)² · 50 mΩ = 5 W, bei 150 °C Sperrschichttemperatur aber (10 A)² · 129 mΩ ≈ 12,9 W. Wer nur mit dem Wert auf der ersten Datenblattseite rechnet, unterschätzt die Wärme um mehr als die Hälfte – und weil mehr Wärme den Widerstand weiter erhöht, kann die Rechnung ohne Reserve aus dem Ruder laufen. Die Wärmekette erklärt Wärme und Kühlung.

Beispiel – Totzeitverluste beim SiC-MOSFET: Eine Halbbrücke mit C3M0065090D schaltet 10 A bei 100 kHz. In jeder Periode gibt es zwei Totzeiten von je 100 ns, in denen der Strom durch die Body-Diode mit 4,4 V fließt. Das ergibt P = 4,4 V · 10 A · 2 · 100 ns · 100 kHz = 0,88 W – nur für die Totzeit. Kürzere Totzeiten oder eine parallele SiC-Schottky-Diode senken diesen Anteil.

Beispiel – Treiberleistung: Für den SiC-MOSFET mit −4/+15 V und 100 kHz braucht der Treiber P = Q_G · ΔU · f = 30,4 nC · 19 V · 100 kHz ≈ 58 mW. Der GaN-HEMT mit 0/6 V kommt selbst bei 1 MHz nur auf 6,1 nC · 6 V · 1 MHz ≈ 37 mW. Erst diese kleinen Werte machen Megahertz-Netzteile möglich.

Leitungs- und Schaltverluste für einen bestimmten Arbeitspunkt rechnest du am bequemsten mit dem Rechner, der für alle MOSFET-artigen Schalter gilt:

Ansteuerung und Layout

Die Stärke dieser Transistoren ist zugleich ihre größte Schwierigkeit: Sie schalten in wenigen Nanosekunden. Spannungsflanken von 50 bis über 100 V/ns und Stromflanken von einigen Ampere pro Nanosekunde sind normal. Dann zählen Nanohenry und Pikofarad.

Kelvin-Source

Fließt der Laststrom durch dieselbe Source-Leitung wie der Rückweg des Gate-Treibers, induziert seine Änderung dort eine Spannung, die der Gate-Spannung entgegenwirkt. Deshalb haben schnelle Gehäuse wie TO-247-4 oder D²PAK-7 einen zusätzlichen Pin: die Kelvin-Source, die nur für den Gate-Kreis da ist.

Weitere Regeln

• Kommutierungsschleife klein halten: Die Schleife aus Zwischenkreiskondensator, oberem und unterem Transistor sollte nur wenige Nanohenry haben. Keramikkondensatoren direkt neben den Transistoren, Hin- und Rückweg auf benachbarten Lagen übereinander.
• Gate-Schleife kurz: Treiber direkt an den Transistor; besonders bei GaN, wo schon kleine Überschwinger die 7-V-Grenze reißen.
• Isolierte Treiber mit hoher Gleichtaktfestigkeit: Beim oberen Schalter springt das Treiber-Bezugspotenzial mit 100 V/ns. Der Treiber muss eine Gleichtaktfestigkeit (CMTI) von deutlich über 100 V/ns haben.
• Miller-Einschalten verhindern: Die steile Flanke drückt über die Gate-Drain-Kapazität Strom ins Gate. Eine negative Ausschaltspannung, ein niedriger Ausschaltwiderstand oder ein Miller-Clamp im Treiber halten den Transistor aus.
• EMV einplanen: Schnelle Flanken strahlen. Eine kleine Schleife ist das beste Filter; danach helfen Gleichtaktdrosseln und geschirmte Gehäuse, siehe EMV.

Bauformen

SiC-MOSFETs gibt es im klassischen TO-247, zunehmend im TO-247-4 mit Kelvin-Source, als SMD im D²PAK-7 und in Modulen für Antriebe und Ladesäulen. GaN-HEMTs sitzen fast nur in SMD-Gehäusen ohne Beine: flache QFN-Gehäuse (etwa 8 × 8 mm), Gehäuse mit Kühlfläche auf der Oberseite, die direkt an einen Kühlkörper gedrückt werden, und Chip-Scale-Bauformen, bei denen der nackte Chip mit Lötkugeln direkt auf die Platine kommt. Beine wären bei Nanosekunden-Flanken zu induktiv.

Auswahl: Wann lohnen sich SiC und GaN?

Häufige Fehler:

• Silizium-Treiber übernommen: Ein 10-V- oder 12-V-Treiber steuert einen SiC-MOSFET nicht voll durch, ein 12-V-Treiber zerstört einen E-Mode-GaN-HEMT.
• Tausch im alten Layout: Ein SiC-MOSFET in einer IGBT-Platine mit langen Leitungen erzeugt Überschwinger und Störungen. Der Vorteil kommt erst mit neuem Layout.
• Kurzschlussschutz zu langsam: Eine Entsättigungserkennung, die für IGBTs nach 8 µs abschaltet, kommt bei SiC zu spät.
• Kaltwerte gerechnet: Besonders bei GaN steigt der Durchlasswiderstand mit der Temperatur stark.

Selbsttest