Untersuchungen zum Einsatz von unipolaren SiC Leistungshalbleiterbauelementen in Antriebsstromrichtern

Unipolare Leistungshalbleiterbauelemente auf Basis von SiC erlauben deutlich höhere Dotierungsdichten und elektrische Feldstärken im Halbleiter, als es mit Si erreichbar ist. Die Folge ist eine enorme Reduktion des Widerstands Ron im Ein-Zustand der leistungselektronischen Schalter.
Speicherladungsfreie, unipolare Bauelementetypen wie die Schottky-Diode, der MOSFET oder der JFET werden nun für einen weit nach oben hin erweiterten Sperrspannungsbereich interessant und konkurrieren mit den Si-basierten Bauelementen wie pin-Diode oder z.B. IGBT.
Während der SiC-MOSFET noch Probleme mit dem Gate-Oxid aufweist, basiert die Funktion des JFETs allein auf pn-Übergängen. Diese Eigenschaft erlaubt für den JFET geringe Kanalwiderstände, große Robustheit und hohe Betriebstemperaturen. Halbleiter aus SiC ermöglichen einen im Vergleich zu Si enorm nach oben hin erweiterten Temperaturbereich. Ursache dafür ist die äußerst geringe Eigenleitungsdichte sowie die deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit dieses Materials.

In dieser Arbeit wurde die Anwendung unipolarer SiC Leistungshalbleiter mit Fokus auf Antriebsstromrichter untersucht. Im Vordergrund stand dabei der normally-on JFET, der aufgrund seiner Eigenschaften derzeit der vielversprechendste Transistor in SiC für die Sperrspannungsklasse von 1200 V ist.
Neben dem normally-on-Verhalten erfordern vor allem die Eigenschaften des steuerseitigen pn-Übergangs neue Betrachtungsweisen und Schaltungskonzepte für die Ansteuerung des JFETs.
Mit Blick auf die JFET-Anwendung in Antriebsstromrichtern entstand ein stromquellenbasiertes Gatetreiberkonzept, welches ohne zusätzlichen Informationsbedarf den JFET während passiver Schaltvorgänge sicher im Aus-Zustand belässt. Vor allem im komplex organisierten Matrixumrichter kann von dieser Eigenschaft profitiert werden.