Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Das Schaltungsprinzip der Kaskodeschaltung von Niedervolt-MOSFET und Hochvolt-Bipolartransistor
wurde bereits in den 80er Jahren mit Einzelbauelementen oder hybrid integrierten
Anordnungen genutzt: Der MOSFET ist im Emitterkreis des Bipolartransistors angeordnet (Reihenschaltung).
Im EIN-Zustand sind Bipolartransistor und MOSFET durchgesteuert. Die Durchlassspannung
des ESBT ist die Summe der Durchlassspannungen von Hochvolt-Bipolartransistor
und Niedervolt-MOSFET.
Die Ansteuerung des ESBT erfolgt über das Gate des MOSFET, die Basis des Bipolartransistors
ist permanent über Widerstände mit einer Spannungsquelle verbunden. Beim Ausschalten öffnet
der MOSFET den Emitterkreis des Bipolartransistors, der Kollektorstrom fließt während des Ausschaltens
über die Basis auf die Treiber-Spannungsquelle, bis alle Ladungsträger im Bipolartransistor
abgeführt oder rekombiniert sind und der Kollektorstrom erlischt. Da der Emitter während
des Ausschaltens durch den MOSFET abgetrennt ist, besteht die Gefahr des 2. Durchbruchs der
Bipolarstruktur nicht, die Grenzen des RBSOA (vgl. Kap. 3.3.4) erweitern sich gegenüber dem
regulären Schalten durch Basisstrom, das Ausschalten ist bis zum Grenzwert V CB0
der Kollektor-
Basis-Diode möglich. Die Steuerung über das MOSFET-Gate ermöglicht eine vergleichsweise
geringe Treiberleistung.
2.4.3 Leistungs-MOSFET
Während sich bei MOSFET für kleine Spannungen der Einschaltwiderstand R DS(on)
mit Anteilen
zwischen etwa 5 % und 30 % aus den Einzelwiderständen der Zellbestandteile zusammensetzt,
entfielen noch vor einigen Jahren z.B. bei höher sperrenden MOSFET weit über 90 % des R DS(on)
auf den Widerstand des n - -Epitaxiegebietes. Für die Abhängigkeit des R DS(on)
von der Durchbruchspannung
V (BR)DSS
eines Leistungs-MOSFET galt die Beziehung
R
2,4...2,6
DS(on)
k V (BR)DSS
mit k: Materialkonstante, z.B. k 8,3 10
-9 A -1 für 1 cm 2 Chipfläche
d.h. die Durchlassspannung
VDS(on)
ID
R
mit I
DS(on)
D
: Drainstrom
war für Transistoren ab etwa 400 V Sperrspannung deutlich höher als die eines vergleichbaren
IGBT.
Mit der Anwendung des Kompensationsprinzips in neuen MOSFET-Konzepten ab 1999 (Superjunction-MOSFET,
vgl. Kap. 2.4.3.3) konnte die Kopplung der Sperrspannung an die Dotierung
der n - -Zone aufgehoben und somit deren Widerstand drastisch gesenkt werden. Nach [25] gilt für
solche Leistungs-MOSFET inzwischen mit
R
1,3
DS(on)
k V (BR)DSS
eine wesentlich geringere Abhängigkeit der Durchlassspannung von der Sperrspannung.
Für die praktische Anwendung des MOSFET ist dessen rein ohmsche Ausgangskennlinie ohne die
Schleusenspannung bipolarer Bauelemente vorteilhaft. Der wesentliche Vorteil des unipolaren
MOSFET gegenüber bipolaren Bauelementen besteht jedoch darin, dass die für den Ladungstransport
ausschließlich zuständigen Majoritätsträger im Schaltbetrieb keine Speichereffekte verursachen,
es sind sehr kurze Schaltzeiten erreichbar.
In der Praxis werden die Eigenschaften der Leistungs-MOSFET nachhaltig von den parasitären
Elementen in der realen Struktur beeinflusst. Zum Verständnis der realen Eigenschaften und möglicher
Ausfallmechanismen ist deshalb ein Blick auf dessen prinzipielles Ersatzschaltbild (Bild
2.4.16) unerlässlich.
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