650-V-IGBTs der dritten Generation Kaum noch Oszillationen im Strom- und Spannungsverlauf

Dass Halbleiterbausteine wie IGBTs immer leistungsfähiger werden müssen, das ist kein Geheimnis. Aber auch andere Eigenschaften spielen bei der Entwicklung neuer IGBTs eine wichtige Rolle. Ein wesentliches Ziel ist es zum Beispiel, die Oszillationen im Strom- und Spannungsverlauf zu verringern.

Die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Trench-Stop-IGBTs haben äußerst leistungsfähige Bauelemente hervorgebracht. Mit der hohen Leistungsfähigkeit gehen allerdings einige Herausforderungen einher, die mit dem gelegentlich etwas „zackigen“ Verhalten der Bausteine zusammenhängen.

Dieses Verhalten führt zu Schwingungen im Spannungsverlauf, denen der Schaltungsentwickler entgegenwirken muss. Mit ihrer geringeren Sättigungsspannung, den geringeren Schaltverlusten und ihrer einfachen Anwendung adressieren die IGBTs der dritten Generation (Gen 3) von Rohm ein breiteres Spektrum industrieller Anwendungen als die vorhergehenden IGBT-Generationen, darunter beispielsweise einphasige Netzteile, PV-Wechselrichter, Batterieladegeräte und Schweißgeräte.

Die Leistungsmerkmale

Die Struktur der Gen-3-IGBTs wurde so gestaltet, dass sich ein besserer Kompromiss zwischen der Sättigungsspannung UCE(sat) und den Abschaltverlusten erzielen lässt als bei den Vorgängergenerationen. In der Folge sind auch die realisierbaren statischen sowie dynamischen Verluste geringer.

Bild 1 vergleicht Bausteine der RGTH-Serie (Gen 2) und der RGTV-Serie (Gen 3) mit gleichem Nennstrom. Links sind die UCE(sat)-Kurven beider Bausteine als Funktion des Kollektorstroms aufgetragen, und zwar einmal bei Zimmertemperatur und einmal bei der maximalen Sperrschichttemperatur. Beim Gen-3-Baustein ist der UCE(sat)-Wert bei Tj=25 °C um 0,1 V bzw. 6 % geringer als beim Gen-2-Baustein, bei Tj=175 °C sogar um 0,25 V bzw. 12 %.

Rechts in Bild 1 ist das Abschaltverhalten beider Bausteine bei gleichen Umgebungsbedingungen dargestellt. Beim Gen-3-IGBT RGTV60TS65D geht der Kollektorstrom schneller und mit einem wesentlich geringeren Tail-Strom auf Null zurück, was zu einer Reduzierung der Abschaltverluste Eoff um 10 % führt.

Die Bausteine der Serie RGW sind sehr schnelle IGBTs, wie in Bild 2 deutlich wird. In diesem Bild wird das Abschaltverhalten eines IGBT der RGTV-Serie mit 50 A Nennstrom mit einem entsprechenden Baustein aus der RGW-Serie verglichen. Der RGW-Baustein weist um 30 % geringere Abschaltverluste Eoff auf.

Ebenso wie der IGBT selbst, wurde auch die in die Gen-3-Bausteine inte­grierte Fast Recovery Diode (FRD) verbessert. So zeichnet sich die neue FRD-Technologie der sechsten Generation durch eine geringere Wafer-Dicke und eine Field-Stop-Struktur aus.

Als Resultat ließen sich sowohl die Vorwärtsspannung UF als auch die Sperrverzö­gerungsladung QRR verringern. Beide Parameter stellen wichtige Größen für Wechselrichter-Anwendungen dar und tragen dazu bei, die Verluste nicht nur in der Diode selbst, sondern auch im zugehörigen IGBT zu senken. Hinzu kommt das sehr sanfte Ansprechverhalten der Gen-6-FRDs beim Abschalten, das für eine schnelle und sanfte Kommutierung sorgt.

Dadurch werden Oszillationen in der FRD und im IGBT unterbunden. In Bild 3 wird das Abschaltverhalten einer Gen-6-FRD mit zwei Mitbewerber-Bausteinen verglichen. Bei der Gen-6-FRD zeigen sich so gut wie keine Oszillationen im Strom- und Spannungsverlauf. Außerdem weist dieses Bauteil die geringste Zunahme von QRR mit steigender Temperatur auf.