Hochspannungs-IGBTs Antriebe umweltfreundlich gestalten

Entwickler von Umrichter-gesteuerten industriellen Motorantrieben fordern hohe Energieeffizienz und Robustheit. Als Antwort darauf entstehen ständig neue IGBT-Generationen, die eine niedrigere Durchlassspannung, einen optimalen Sättigungsstrom, eine verbesserte thermische Leitfähigkeit, Soft-Switching-Charakteristika sowie minimale parasitäre Effekte der Gehäuse erzielen.

Durch industrielle Antriebe mit Umrichter-gesteuerter Drehzahlregelung kann der Endverbraucher bekanntlich sowohl die Performance als auch die Regelbarkeit verbessern. Gleichzeitig sparen sie Energiekosten und Treibhausgasemissionen. Solche Umrichter nutzen IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) als Leistungsschalter. Da die für industrielle Motorantriebe eingesetzten Schaltfrequenzen im Allgemeinen niedrig liegen, nämlich im Bereich unter 6 kHz, treten die meisten Verluste im IGBT dann auf, wenn die Bausteine eingeschaltet sind.

Aus diesem Grunde ist die Reduzierung der Durchgangsverluste eines der Hauptziele für die Entwickler von IGBT-Bausteinen. Im Gegensatz zu einem MOSFET, dessen Leitungsverlustmechanismus als ein Widerstand modelliert werden kann, weist der IGBT einen Spannungsabfall VCE(ON) auf, der auf mehrere interne Effekte zurückzuführen ist.

Zu diesen zählen eine Diode, die sich an der Grenze zwischen der p+-Schicht des Kollektors und dem n-Substrat (oder dem n+-Pufferbereich bei Punch-Through-IGBTs) bildet, sowie der zwischen Gate und Emitter bestehende Kanalwiderstand und die Interaktion von Trägern im Driftbereich zwischen Kollektor und Gate.

Planar-IGBTs (Bild 1, links) enthalten außerdem einen parasitären JFET, der den Stromfluss zwischen benachbarten Zellen im Baustein einschränkt. Demzufolge können eine Reihe von Techniken angewandt werden, um die Kollektor-Emitter-Spannung im eingeschalteten Zustand VCE(ON) zu reduzieren. Während frühe IGBT-Generationen eine planare Gate-Struktur verwendeten, senkt die Trench-Architektur neuerer Bausteine die VCE(ON) beträchtlich, weil der für die Planarstruktur charakteristische JFET-Widerstand minimiert und die Kanaldichte erhöht wird.

Darüber hinaus senkt der Einsatz einer 140-µm-Thin-Wafer-Technologie die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBTs, weil die Längen des Widerstandspfads verkürzt werden (Bild 1, rechts). Zudem verbessert die Thin-Wafer-Technologie auch die thermische Performance und senkt die Bausteinkapazitäten, was zu verbesserten Einschalt-/Abschaltzeiten sowie einer höheren Schalteffizienz führt.

Durch die neue Struktur können die »Gen 8«-IGBTs von International Rectifier (IR) im Vergleich zu den Vorgängergenerationen eine höhere Stromdichte bei kleineren Chipgrößen tragen. So können Entwickler von IGBT-Modulen die Größe von Produkten der nächsten Generation reduzieren oder höhere Stromwerte in Standard-Formfaktoren anbieten.

Robustere IGBTs

IGBTs in elektrischen Antrieben - und generell in industriellen Umrichtern - müssen kurzzeitig Kurzschluss-Fehlerbedingungen aushalten können, beispielsweise beim Starten einer kurzgeschlossenen Last oder beim Kurzschluss des IGBTs im eingeschalteten Zustand. Im Vergleich zu Bipolartransistoren sind diese Halbleiterbauelemente von Natur aus wegen einer örtlich begrenzten internen Erwärmung weniger fehleranfällig. Deshalb können sie kurzzeitige, sich nicht wiederholende Ströme überstehen, die wesentlich größer sind als der Nennstrom.

Von industriellen Anwendungen werden normalerweise IGBTs gefordert, die mindestens 10 µs lang kurzschlussfest sind. Das wird als Zeitraum akzeptiert, der ausreichend groß ist, damit das System einen internen Schutz aktivieren kann, der den IGBT abschaltet oder die Gate-Emitter-Spannung VGE senkt, und auf diese Weise den im Baustein fließenden Kollektorstrom IC begrenzen kann. Anwender müssen sorgfältig darauf achten, dass der IGBT diese Überlebenszeit von mindesten 10 µs sicher einhält.

Im Falle eines Kurzschlussfehlers in der Last fließt die gesamte Versorgungsspannung VCC durch den IGBT (Bild 2). Unter diesen Bedingungen und wenn der Baustein voll eingeschaltet ist, fließt im Kollektor-Emitter-Bereich ein Sättigungsstrom, der vielfach größer ist als dessen Nennstrom.

Bild 3, das sich auf einen IC und eine VCE für einen 25-A-IGBT der achten Generation von IR bei +150 °C bezieht, zeigt, wie der Kollektorstrom mit der Kollektor-Emitter-Spannung ansteigt und den Sättigungswert bei einer VCE von ungefähr 8 V erreicht. Der IGBT muss einen hohen Sättigungsstrom tragen können, weil er mit Nicht-Kurzschluss-Überlastbedingungen über dem Nennstrom umgehen können muss. Das ist der Fall, wenn der IGBT den Rückwärtserholstrom (Reverse Recovery) der Komplementärdiode führt, die den in jedem Schaltzyklus fließenden Laststrom am Fließen hält.

Der Reverse-Recovery-Strom erhöht den Gesamt-Überlaststrom normalerweise um einen Faktor zwei, was einen hohen Sättigungsstrom des IGBTs notwendig macht. Allerdings muss der Sättigungsstrom nicht so hoch sein, dass die unter einer Kurzschlussbedingung (ICE(SAT) · VCC) abgeführte Energie den Baustein zerstört. Der Sättigungsstrom der achten IGBT-Generation von IR ist auf ein Minimum vom dreifachen Nennstrom optimiert und nutzt dabei die Thin-Wafer-Technologie, um eine effiziente Wärmeableitung aus dem Baustein zu gewährleisten. Dieser Sättigungsstrom reicht bei den IGBTs aus, um unter normalen Bedingungen den vollen Rückwärtserholstrom zu führen und außerdem eine Kurzschlussfestigkeit von 10 µs zu erreichen.

Besseres Soft-Switching-Verhalten

Auch wenn Schaltverluste nur geringe Auswirkungen auf die gesamte Energieeffizienz in langsamer schaltenden industriellen Anwendungen haben, ist doch eine weich schaltende Charakteristik extrem wichtig, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und elektromagnetische Störungen (EMI) zu minimieren. Beim Abschalten begrenzt das niedrige di/dt, also das weiche Schaltverhalten, das durch parasitäre Induktivitäten in der Schaltung verursachte Überschwingen der Spannung. Dadurch wird verhindert, dass die Spannung über dem IGBT die maximale Durchbruchsspannung des Bausteins überschreitet. Das niedrige di/dt wirkt sich außerdem vorteilhaft auf die Minimierung des Reverse-Recovery-Spitzenstroms der Dioden im System aus. 

Bild 4 zeigt die Abschaltcharak-teristik eines 100-A-IGBTs der achten Generation bei einer Gleichspannung von 600 V, einer Sperrschichttemperatur TJ von +150 °C sowie einer Gate-Emitter-Spannung VGE von ±15 V - typische Werte für zahlreiche industrielle Einsatzgebiete. Das di/dt beim Abschalten liegt unter 1 A/ns, was dazu beiträgt, dass die infolge der parasitären Gehäuseinduktivität verursachte Überspannung auf ungefähr 812 V begrenzt werden kann.

Dieser Wert liegt wesentlich unter der Durchbruchsspannung des IGBTs von 1200 V. Darüber hinaus ist ein niedriges di/dt auch bei der Minimierung des Spannungsüberschwingens von Bedeutung, wenn ein hoher Strom während Kurzschlussereignissen abgeschaltet wird. Die Überspannung über diesen IGBTs liegt, wenn der Kurzschlussstrom abgeschaltet wird, unter 800 V.

Die Einschaltcharakteristik desselben Bausteins ist in Bild 5 dargestellt. Wenn der Reverse-Recovery-Strom in der Komplementärdiode seinen Spitzenwert erreicht, liegt der Kollektorstrom bei 243 A. Der Maximalwert des Rückwärtserholstroms sowie das weiche Verhalten der Verzögerungscharakteristik hängen von der Diode ab. Dieser Spitzenstrom lässt sich auch durch eine Erhöhung des externen Gate-Widerstands des IGBTs steuern, was indessen tendenziell zu erhöhten Einschaltverlusten führt.

Bessere Parallelschaltung

Eine zuverlässige Parallelschaltung von Bausteinen in Hochleistungsmodulen wird durch den inhärenten positiven Temperaturkoeffizienten der VCE(ON) unterstützt, den Trench-Gate Field-Stop-IGBTs aufweisen. Zusätzlich erlauben die jüngsten Prozesstechnologien die Herstellung von Bausteinen hoher Qualität, die hinsichtlich ihrer Schlüsselparameter wie Gate-Emitter-Schwellenspannung (VGE(th)) oder auch der VCE(ON) eng aufeinander abgestimmt sind.

Der enge VGE(th)-Bereich von 5,0 V bis 6,5 V in IRs jüngsten IGBTs der Generation 8 sorgt dafür, dass sich der Strom in den Bausteinen bei Einschalt- und Abschaltvorgängen gleichmäßiger aufteilt. Das trägt dazu bei, thermische Ungleichgewichte zu vermeiden und verbessert gleichzeitig die Zuverlässigkeit, weil VGE(th) einen negativen Temperaturkoeffizienten hat. Ähnlich vermeidet ein engeres VCE(ON)-Fenster von 300 mV zwischen den typischen und den Maximalwerten potenziell schädliche Ungleichgewichte, die besonders während Überlastungen auftreten können.

Über die Autoren:

Wibawa Chou ist IGBT Applications Manager und Llewellyn Vaughan-Edmunds ist IGBT Product Marketing Manager, beide in der Energy Saving Products Business Unit von International Rectifier.