Erste eigene diskrete Siliziumkarbid-Transistoren vorgestellt Nexperia steigt in den SiC-MOSFET-Markt ein

Nexperia wird zum SiC-MOSFET-Anbieter: Hatte der Hersteller bisher in seinem FET-Portfolio auf Silizium und Galliumnitrid gesetzt, sind dort jetzt auch diskrete 1.200-V-Typen auf Siliziumkarbid-Basis verfügbar.

Bei den neu vorgestellten ersten Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) von Nexperia handelt es sich um zwei diskrete 1.200-V-Bauelemente im 3-Pin-TO-247-Gehäuse mit R_DS(on)-Werten von 40 mΩ und 80 mΩ. Diese bereits voll qualifizierten und freigegebenen SiC-MOSFETs sind das erste Ergebnis einer kürzlich geschlossenen Partnerschaft des Unternehmens mit Mitsubishi Electric, in deren Rahmen Mitsubishi Electric SiC-Chips produziert und an Nexperia liefert.

Vor vier Jahren ist Nexperia mit GaN-FETs in Kaskodenkonfiguration in das Geschäft mit Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern eingestiegen und hat das GaN-FET-Angebot seitdem kontinuierlich erweitert sowie um Enhancement-Mode-GaN-FETs ergänzt. Anfang des Jahres brachte das Unternehmen dann Schottky-Dioden auf Basis eines Inhouse-SiC-Prozesses auf den Markt. „Unsere beiden ersten SiC-MOSFETs sind ein weiterer, wesentlicher Schritt auf dem Weg zu unserem Ziel, ein echtes Powerhouse zu werden“, kommentiert Katrin Feurle, Leiterin der Siliziumkarbid-Produktgruppe bei Nexperia.

SiC-MOSFETs als ideale Ergänzung

Dabei sehe man die jetzt neu vorgestellten SiC-MOSFETs nicht etwa als hauseigene Konkurrenz zum bestehenden GaN-Angebot, sondern als ideale Ergänzung. Laut Sebastian Fahlbusch, Leiter des Power Product Application Competence Center in Hamburg, entspricht die allgemeine Annahme, GaN und SiC stünden zu 100 Prozent in direkter Konkurrenz zueinander, gar nicht der Wahrheit: „Aufgrund der aktuell etablierten Prozesstechnologien haben die Technologien ihren jeweiligen Sweetspot an unterschiedlichen Stellen. Als laterale HEMT-Technologie hat GaN seine Stärken bereits im Low-Voltage-Bereich und seinen Sweetspot heute bei etwa 650 V. Aufgrund seiner vertikalen Struktur kann SiC im Vergleich dazu seine Stärken eigentlich erst ab 650 V überhaupt ausspielen und hat seinen Sweetspot bei 1.200 V oder auch noch darüber.“ Bild 1 veranschaulicht Fahlbuschs Sicht auf die sich unterscheidenden Anwendungsbereiche der beiden Wide-Bandgap-Technologien.

Laut Feurle habe man in der Rekordzeit von unter einem Jahr die beiden ersten SiC-MOSFET-Typen entwickelt, qualifiziert, in die Fertigung und auf den Markt gebracht – dies sei nur durch die gemeinsame Entwicklung zusammen mit Mitsubishi Electric möglich gewesen: „Wer so schnell sein will, muss auf Partnerschaften setzen“. Zugleich betont Feurle, dass die neuen SiC-MOSFETs Nexperia-Produkte sind, mit ausschließlichem Vertrieb und auch mit alleiniger Haftung durch Nexperia. Laut Feurle produziert Nexperia bereits seit einigen Monaten, die Fab sei voll und man könne ab sofort in hohen Stückzahlen liefern.

„Mit diesen ersten Produkten bringen Nexperia und Mitsubishi Electric echte Innovation in einen Markt, der nach mehr Wide-Bandgap-Anbietern verlangt“, so Feurle. „Nexperia kann nun SiC-MOSFET-Bauelemente anbieten, die in Bezug auf mehrere Parameter die beste Leistung ihrer Klasse bieten, darunter eine hohe R_DS(on)-Temperaturstabilität, ein niedriger Body-Dioden-Spannungsabfall, eine überragend gering spezifizierte Schwellenspannung, sowie ein sehr ausgewogenes Gate-Charge-Verhältnis. Diese qualitativ hochwertigen MOSFETs sind das erste Kapitel im Rahmen unserer Partnerschaft mit Mitsubishi Electric. Gemeinsam werden wir in den kommenden Jahren die Grenzen der Leistungsfähigkeit von SiC-Bauelementen neu definieren“. Das SiC-MOSFET-Portfolio von Nexperia werde kontinuierlich um Bauelemente mit einer Vielzahl von R_DS(on)-Werten in einer Auswahl von Durchsteck- und Oberflächenmontage-Gehäusen erweitert.

Temperaturabhängigkeit von R_DS(on) als wesentlicher Parameter

Der Einschaltwiderstand R_DS(on) gilt generell als kritisches Leistungsmerkmal für MOSFETs in Bezug auf die Durchlassverluste, doch die (auch bei Nexperia) übliche Angabe dieses Werts bei +25 °C sei allein nicht aussagekräftig genug, meint Fahlbusch: „Unter üblichen Betriebsbedingungen erwärmt sich jeder Leistungshalbleiter, und mit der Temperatur steigt prinzipbedingt immer auch der R_DS(on) an. Doch die einzelnen auf dem Markt verfügbaren MOSFETs verhalten sich hier sehr verschieden“.

So steige bei Bausteinen anderer Hersteller der Einschaltwiderstand bereits mit nur gering zunehmender Temperatur deutlich an und erreiche bei +175 °C Sperrschichttemperatur teilweise den zweifachen Wert. Im Vergleich dazu bleibe der R_DS(on) bei den eigenen SiC-Halbleitern lange Zeit sehr stabil, nehme erst zum Ende der Temperaturskala tatsächlich zu und erreiche bei +175 °C lediglich einen Zuwachs um 38 Prozent, also in etwa den 1,4-fachen Wert (Bild 2).

Die SiC-MOSFETs von Nexperia weisen auch eine sehr niedrige Gesamt-Gate-Ladung (Q_G) auf, was den Vorteil geringerer Ansteuerverluste mit sich bringt. Darüber hinaus hat Nexperia die Gate-Ladung ausgeglichen, um ein außergewöhnlich niedriges Verhältnis von Q_GD zu Q_GS (unter eins) zu erreichen, eine Eigenschaft, die die Immunität des Bauelements gegen parasitäres Einschalten erhöht.

Zusammen mit dem günstigen Temperaturkoeffizienten von SiC-MOSFETs bieten die Produkte von Nexperia auch eine äußerst geringe Streuung der Schwellenspannung von Bauteil zu Bauteil, V_GS(th). Wenn die Bauteile parallel betrieben werden, ermöglicht diese geringe Streuung eine sehr ausgewogene Stromführung, was sich vor allem im dynamischen Betrieb auswirkt. Darüber hinaus ist die niedrige Durchlassspannung der Body-Diode (V_SD) ein Parameter, der die Robustheit und Effizienz der Bauelemente erhöht und gleichzeitig die Totzeitanforderungen verringert.

Weitere Bausteine und Gehäusetypen in der Pipeline

Bei den beiden jetzt vorgestellten Typen im dreipoligen Gehäuse für die Durschsteckmontage wird es nicht bleiben. „Packaging ist eine unserer Kernkompetenzen“, erklärt Feurle und stellt für das erste Quartal 2024 zwei weitere SiC-MOSFET-Typen in Aussicht, die in einem TO-247-Gehäuse mit vier Pins auf den Markt kommen werden. Der vierte Pin ist dabei ein so genannter „Kelvin Source“-Anschluss.

Der Vorteil ist hier, dass über diesen Pin der sehr geringe Gate-Source-Steuerstrom unabhängig vom hohen Drain-Source-Leistungsstrom fließen kann und damit das unerwünschte, sonst durch magnetische Kopplung vom Leistungspfad erzeugte Gate-Feedback fast völlig eliminiert wird. Dadurch lässt sich der ansonsten identische SiC-Kristall erheblich schneller und verlustärmer schalten. Kein Wunder, dass laut Feurle dieses 4-Pin-Gehäuse momentan auch bei den bestehenden WBG-Leistungshalbleitern von Nexperia am stärksten nachgefragt ist.

Anfang des zweiten Quartals sollen dann SMD-Gehäuse mit sieben Pins folgen, konkret zunächst das TO-263-7, im weiteren Verlauf rechnet Feurle mit weiteren SMD-Versionen, auch mit Top-Side-Cooling. Außerdem plant Nexperia für die Zukunft auch gemäß der Automotive-Norm AEC-Q101 qualifizierte SiC-MOSFETs, angepeilt ist hier das Ende 2024. (cg)

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