Schnell schaltende Bauelemente Niederinduktiver Aufbau steigert Wirkungsgrad

Durch das stetige Streben nach größtmöglichem Systemwirkungsgrad bei möglichst geringen Kosten sind Power-Module zu bedeutenden Komponenten geworden. Ein wesentlicher Entwicklungspfad ist dabei die Erhöhung der Schaltfrequenz. Wie wirken sich die parasitären Induktivitäten auf die Halbleiter aus?

Von Dr. Christian R. Müller und Dr. Stefan Buschhorn, Entwicklungsingenieure im Geschäftsbereich Industrial Power Control (IPC) von Infineon Technologies.

Über die letzten Jahre hat sich der Fokus bei der Entwicklung von Leistungshalbleitern nachhaltig verändert. Der eine Entwicklungspfad geht in Richtung höhere Leistungsdichte, der andere in Richtung höhere Schaltfrequenzen. Ersteres erlaubt es, das Leistung-Kosten-Verhältnis zu verbessern, da bei nahezu gleich bleibenden Systemkosten eine höhere Ausgangsleistung verfügbar ist. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, die Aufbau- und Verbindungstechnik des Leistungshalbleitermoduls und die Eigenschaften der verwendeten Halbleiterkomponenten anzupassen. Andernfalls könnte eine mögliche Steigerung der Leistungsdichte beispielsweise thermisch begrenzt werden.

Der zweite Ansatz ist die Anhebung der Schaltfrequenz im System. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Kosten der passiven Bauelemente zu reduzieren. Hierfür werden Leistungshalbleiter genutzt, die das Schalten bei hohen Frequenzen mit niedrigen Ansteuerleistungen am Gate ermöglichen, beispielsweise IGBTs oder MOSFETs. Bei diesem Entwicklungsansatz besteht die Herausforderung darin, diese schnellschaltenden Bauelemente so zu betreiben, dass zu jedem Zeitpunkt die günstigsten Betriebsbedingungen eingestellt und aktiv gesteuert werden können.

Um das Bauelement demgemäß anzusteuern, müssen Systementwickler das Bauelement selbst und dessen Verhalten während des Schaltvorgangs gut verstehen.

Unabhängig von Leistungsdichte und Schaltfrequenz können interne und externe Parameter mit dem Bauelement wechselwirken und somit zu einer massiven Veränderung des Schaltverhaltens führen.

Bild 1a zeigt das Ersatzschaltbild eines idealisierten Aufbaus, bestehend aus einem Leistungs-MOSFET, einer Freilaufdiode und einer induktiven Last. Die Steuergröße des Leistungs-MOSFET ist die Gate-Source-Spannung VGS, beschrieben mithilfe von Gleichung (1).

(1) V subscript G S end subscript equals V subscript G plus R subscript G times C subscript D G end subscript times open parentheses d V subscript D S end subscript divided by d t minus d V subscript G S end subscript divided by d t close parentheses minus R subscript G times C subscript G S end subscript times d V subscript G S end subscript divided by d t

VGS bestimmt sich also nicht nur durch die Ausgangsspannung VG des Gate-Treibers, sondern auch durch den Gate-Widerstand RG und die internen Kapazitäten CDG und CGS. Insbesondere die Rückkopplung der Drain-Source-Spannung VDS auf das Gate beeinflusst das Schaltverhalten stark, speziell für größere Werte von RG und CDG. Selbst in diesem Fall treten also bereits Effekte durch spezifische Bauteileigenschaften und durch die Ansteuerung auf, die den Schaltvorgang mitbestimmen.

Arten von parasitären Induktivitäten

In realen Systemen beeinflussen zusätzlich zu den oben genannten Parametern noch parasitäre Induktivitäten das Schaltverhalten. Letztere sind hauptsächlich durch die genutzte Aufbau- und Verbindungstechnik und die verwendete Schaltung bestimmt. Grundsätzlich können hierbei die drei parasitären Induktivitäten LG, LS und Lcouple unterschieden werden. LG und LS beschreiben die Induktivitäten, die ausschließlich im Gate- beziehungsweise im Lastkreis wirken, Lcouple hingegen die Induktivität, die sowohl im Gate- als auch im Lastkreis wirkt. Bild 1b zeigt einen schematischen Aufbau, wobei hier zusätzlich die drei parasitären Induktivitäten dargestellt sind. Diese beeinflussen das Schaltverhalten wie folgt.

Unabhängig vom Schaltvorgang wird LG für eine Signalverzögerung im Gate-Kreis sorgen und folglich zu einer Begrenzung der maximalen erreichbaren Schaltfrequenz führen. Speziell für den Einschaltvorgang gilt, dass ein großes LG zu einer Spannungsüberhöhung am Gate führt. Dieser Effekt tritt zu Beginn der Miller-Phase auf, wobei hier die in der Induktivität gespeicherte Energie in den Gate-Kreis abgegeben wird. Hierdurch verkürzt sich die Dauer der Miller-Phase, der Einschaltvorgang wird schneller abgeschlossen und die Schaltverluste reduziert.