Robustes IGBT-Modul von Mitsubishi Feldausfälle minimieren

IGBT-Module in hochzuverlässigen Anwendungen müssen für bis zu 30 Jahre eine definierte Qualität im Betrieb aufrechterhalten können. Ausgehend von realistischen Applikations- und Umweltbedingungen wurde ein neues Moduldesign für 6,5 kV/1000 A überprüft.

von Nobuhiko Tanaka, Shuichi Kitamura, Kenji Ota, Shinichi Iura, Keiichi Nakamura, Eugen Wiesner und Eckhard Thal, Mitsubishi Electric.

Obwohl Leistungselektronik in Bahntechnik oder in Systemen der Energieverteilung generell die Anforderungen an eine niedrigstmögliche Ausfallrate erfüllen müssen, gibt es gelegentlich unerwartete Störungen und damit verbundene Ausfälle. Leistungshalbleitermodule sollten daher im Idealfall auch gegen solche unerwarteten, zum Teil nicht spezifizierten Betriebsbedingungen geschützt sein. Weil sich jedoch solche unerwarteten Einsatzbedingungen nur schwer vorhersagen lassen, sollte man ausreichend Auslegungsreserven bei solchen Modulen vorsehen, ohne Abstriche bei der Geräteleistung zu machen. Im Folgenden werden die von Mitsubishi Electric verwendeten Designkonzepte für IGBT-Module vorgestellt, die Schutz gegen unerwartete Ausfälle unter erschwerten Einsatzbedingungen bieten können.

Schutz vor Überlastung beim Schalten

Beim Einsatz eines IGBT-Moduls sind die Applikations- und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen, beispielsweise parasitäre Induktivitäten im Lastkreis, Gate-Ansteuerbedingungen, schwankende Zwischenkreisspannung sowie die Umgebungstemperaturen. Der maximale Abschaltstrom eines Hochspannungs-IGBTs (HV-IGBTs) ist meist als der doppelte Nennstrom des Moduls definiert. Die Abschaltfähigkeiten eines solchen HV-IGBTs hängen vor allem vom Chipdesign ab. So kann man etwa eine partielle p-Kollektorstruktur nutzen, um die Abschaltfähigkeit zu erhöhen (Bild 1) [1, 2].

Es gibt mehrere Arten von Kurzschlüssen: das Einschalten eines IGBTs auf einen bereits existierenden Kurzschluss (Typ 1), das Auftreten eines Kurzschlusses bei bereits leitendem IGBT (Typ 2) und das Auftreten eines Kurzschlusses, während sich eine Diode im Freilaufmodus befindet (Typ 3) [3, 4]. Um eine gute Kurzschlussfestigkeit zu erreichen, sind beim Moduldesign zwei Aspekte zu berücksichtigen. Der erste liegt in der Verbesserung der Eigenschaften des IGBT-Chips, der zweite besteht in einer Optimierung des Gehäusedesigns.

Bei der Gehäuseoptimierung geht es vor allem darum, den Einfluss des Magnetflusses auf die Gate-Spannung infolge des schnellen Anstiegs des Kurzschlussstroms (di/dt) so gering wie möglich zu halten. Bei der Entwicklung der modulinternen Gate-Schaltung nutzten die Entwickler eine elektromagnetische Feldanalyse, um die induzierte EMK (elektromotorische Kraft) zu minimieren. Diese EMK wirkt während eines Kurzschlussereignisses auf das Gate ein [5]. Der zweite Aspekt, die Kurzschlussfestigkeit der IGBT-Chips, lässt sich dadurch verbessern, dass man die Chips unempfindlicher gegen das Latch-up-Phänomen bei hohen Stromdichten macht. Hierzu wurde die Zellenstruktur des MOS-Gates und der Zellenabstand optimiert, sodass sich ein geeigneter Sättigungsstrom im Kurzschlussfall einstellen lässt.

Bei einem Kurzschluss vom Typ 3 könnte die Rückwärtserholung (Reverse Recovery) dazu führen, dass die Freilaufdiode zerstört wird. Als Schutz vor einem solchen Fall muss die Diode im Modul entsprechend widerstandsfähig ausgelegt sein. Setzt man an dieser Stelle eine RFC-Diode (Relaxed Field of Cathode [6]) mit Stabilität gegenüber hohen Verlustleistungsspitzen ein, ist der HV-IGBT vor Typ-3-Kurzschlüssen geschützt.

Fließt ein Rückwärtserholstrom bei einer hohen Zwischenkreisspannung durch eine herkömmliche pin-Diode, können beim Abreißen des Rückstroms große Spannungsspitzen mit Überschwingen an der Diode entstehen (Bild 2). Diese lassen sich unterdrücken, indem man den IGBT mit einer niedrigen Einschalt-Flankensteilheit ansteuert. Allerdings nehmen die Einschaltverluste mit abnehmendem di/dt-Wert zu, was aus Verlustleistungsgründen unerwünscht ist. Verwendet man eine RFC-Diode (Bild 3), so lässt sich der Abreißeffekt selbst dann unterdrücken, wenn der IGBT mit einer hohen Einschalt-Flankensteilheit angesteuert wird, wodurch die Einschaltverluste klein bleiben [6].