IGBTs Die vierte IGBT-Generation

Die weltweite Nachfrage nach elektrischer Energie wächst Jahr für Jahr. Steigende Energiekosten, der CO2-Ausstoß und die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe erfordern signifikante Energieeinsparungen. Großes Einsparpotential bieten viele industrielle Anwendungen wie z.B. Antriebs- und Stromversorgungssysteme. Insbesondere in den elektrischen Antrieben kann durch den Einsatz moderner und effektiver Antriebsumrichter eine deutliche Verringerung der Leistungsaufnahme erzielt werden.

Bei den Umrichtern gibt es einen zunehmenden Bedarf für ein abgestimmtes System aus Ansteuerung durch einen „intelligenten“ Treiber und dem Leistungsschalter. IGBTs gelten als Schlüsselbauelemente in diesen Anwendungsgebieten und haben in der letzten Dekade erhebliche Fortschritte bezüglich Reduzierung der Verluste in Verbindung mit kleineren Chipgrößen gemacht. Dadurch ließen sich immer kompaktere und damit auch kostengünstigere Umrichter entwickeln.

Die Bauelemente-Entwickler versuchen heutzutage, IGBTs und Freilaufdioden eine an die Anwendungsbedingungen angepasste inhärente „Softness“ zu verleihen und sie so besser steuerbar zu machen. Für die Realisierung solch optimierter Leistungshalbleiter ist die Kombination von Softness und Robustheit sowie die Reduzierung von Durchlass- und Schaltverlusten immer eine große Herausforderung, da sie teils gegensätzliche Anforderungen an das Zelldesign eines Bauelements stellen. Ein großer Schritt wurde hierfür mit dem 1200-V-IGBT4 getan.

Der heutige Stand der Technik bei IGBT-Leistungshalbleitern sind Trench/ Feldstopp-Bauelemente wie zum Beispiel der 1200-V-IGBT3. In Bild 1 ist der prinzipielle Aufbau der unterschiedlichen IGBT-Technologien dargestellt.

Bei einem Trench-IGBT ist der Gate-MOS-Kanal vertikal angeordnet. Durch diese Anordnung kann eine höhere Kanaldichte realisiert werden, die wiederum in eine höhere Überschwemmung von emitterseitigen Ladungsträgern resultiert. Bei einer optimalen Kombination der Kanaldichte, einer niedrigen Rückseitendotierung sowie einer hohen Ladungsträger-Lebensdauer kann die Sättigungsspannung des Bauelementes ohne gleichzeitige Erhöhung der Abschaltverluste deutlich reduziert werden.

Ein Feldstopp-IGBT verfügt über einen zusätzlichen kollektorseitigen n-Layer. Innerhalb dieses dünnen n-Feldstopp-Layers wird das elektrische Feld rasch abgebaut. Damit ist es möglich, die Chipdicke der Leistungshalbleiter zu reduzieren, die wiederum gleichzeitig die Reduktion von statischen und dynamischen Verlusten mit sich bringt. Die neuen 1200-V-IGBT4-Leistungshalbleiter setzen genau hier an, bieten einen optimierten Vertikalaufbau sowie eine Erhöhung der Stromdichten und erlauben so Leistungshalbleiter für Low-, Medium- und High-Power-Anwendungen, mit denen die Realisierung von kompakten Umrichtern möglich ist.

Die drei verbesserten Chip-Versionen sind der IGBT4-T4, der IGBT4-E4 und der IGBT4-P4. Der IGBT4-T4 zeichnet sich durch sein schnelles Schaltverhalten und reduzierte Schaltverluste für Low-Power-Module mit Nominalströmen (ICnen) von 10 A bis 300 A aus, während der IGBT4-E4 sowohl ein sanfteres Schaltverhalten als auch verbesserte Durchlasseigenschaften für Leistungsmodule im Nominalstrom-Bereich von 150 A bis 1000 A aufweist. Der IGBT4-P4 ist mit seinem soften Schaltverhalten für Hochleistungsmodule mit Nennströmen größer als 900 A ausgelegt.

Der High-Power-IGBT4-P4 wurde in weiteren Fachartikeln [1, 2, 3] ausführlich beschrieben, daher fokussiert sich dieser Beitrag auf die Low-Power-Version IGBT4-T4 und die Medium-Power-Version IGBT4-E4.

Reduzierte Schaltverluste

Wesentliches Kriterium bei der Entwicklung von neuen Chip-Generationen ist die Reduzierung der statischen und dynamischen Verluste. Die Tabelle zeigt den Vergleich der elektrischen Parameter zwischen der heutigen IGBT3- und der neuen IGBT4-Generation.

ParameterE3
E4>75 A T3T4<75 A
T4>75 A
Ucesat@125°C [V]221,92,152,05
EOff@125°C10075836060
Tvjop[°C]125150125150150
Vergleich der elektrischen Parameter zwischen IGBT <sup>3</sup> und IGBT <sup>4</sup>

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung der neuen IGBT4-Technologie war die Möglichkeit, das Bauelement bei einer um 25 K höheren Betriebstemperatur einsetzen zu können. Eine höhere Betriebstemperatur ermöglicht eine höhere Ausgangsleistung bei vergleichbaren Kühlbedingungen.

Die neuen 1200-V-IGBT4-Leistungshalbleiter erlauben diese erhöhte maximale Betriebstemperatur von Tvjop = 150 °C im Vergleich zum heutigen Stand der Technik von Tvjop = 125 °C bei allen heute verfügbaren 1200-V-IGBT-Leistungsmodulen. Die maximale Betriebstemperatur von 150 °C wurde zum ersten Mal mit der dritten Generation der 600-V-IGBTs [9, 10] von Infineon eingeführt und ist nun auch mit den neuen 1200-V-Bauelementen möglich.

Zusätzlich konnte durch die optimierte Aufbau- und Verbindungstechnik die Zuverlässigkeit beim Power-Cycling (PC) deutlich verbessert werden (Bild 2).

Damit wird entweder mindestens die gleiche PC-Lebensdauer bei höheren Ausgangsströmen (bedingt durch die höhere Betriebstemperatur) oder andererseits eine deutlich verlängerte PC-Lebensdauer bei vergleichbarer Ausgangsleistung je nach Designvorgabe ermöglicht.