Niederinduktiv aufgebaut Schaltgeschwindigkeit von IGBT-Modulen

Die Forderung in der Leistungselektronik nach hohen Wirkungsgraden bei gleichzeitiger Erhöhung der Schaltfrequenzen stößt insbesondere bei höheren Leistungen auf Grenzen der Aufbautechnik der Halbleiterkomponenten. Zentraler Parameter dabei sind die parasitären Induktivitäten, da sie Überspannungen verursachen und die Schaltverluste erhöhen. Mit einem neuen Aufbaukonzept, bestehend aus einem niederohmigen sowie einem niederinduktivem Strompfad, sollen sich die bisherigen Grenzen nachhaltig überwinden lassen.

Beim Ausschalten eines Transistors steigt der Strom sprunghaft an, verursacht durch eine Spannungsspitze in den parasitären Induktivitäten. Sie lässt sich nach Formel (1) berechnen. Diese Spannungsspitze (Bild 1) gefährdet die Halbleiter, und deren Sperrspannung ist entsprechend hoch anzusetzen.

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Im Transistor entstehen dadurch zusätzliche Verluste, die sich nach Formel (2) berechnen. Als Folge muss die maximal mögliche Schaltfrequenz reduziert werden.

Die Überspannung ist linear abhängig von der Induktivität sowie von der Höhe des unterbrochenen Stromes. Daraus ergibt sich die Forderung nach Leistungsbaugruppen mit sehr geringer Induktivität.

Je höher der Schaltstrom, desto wichtiger wird diese Forderung.

Ein Zahlenbeispiel: Während bei 100 A und 700 V Zwischenkreisspannung Bauteile mit 1200 V Sperrspannung und einer Streuinduktivität von 10 nH akzeptabel sind, muss bei 500 A/700 V die Streuinduktivität auf 2 nH reduziert werden, um das gleiche Schaltverhalten zu erreichen.

Dem zuwider läuft die Forderung nach niederohmigen Strompfaden, was sich durch größere Stromschienen und Schraubenklemmen erreichen lässt. Dadurch steigen jedoch die parasitären Streuinduktivitäten. In der Realität liegen die Induktivitäten daher bei zirka 20 nH.

Die maximale Baugröße der 1200-V-IGBT-Chips ist für einen Nennstrom von etwa 150 A bis 200 A ausgelegt. Für höhere Ströme müssen mehrere Bauteile parallelgeschaltet werden, was zusätzliche Herausforderungen für den Modulentwurf stellt wie symmetrisches Gate-Ansteuersignal, symmetrische Leistungsaufteilung im statischen Betrieb sowie symmetrische Parallelschaltung im dynamischen Betrieb.

Die Toleranzen der integrierten Bausteine und die parasitären Streuinduktivitäten des Moduls beeinflussen die Leistungsfähigkeit der Parallelschaltung der Elemente während des Schaltvorgangs.

Während die Halbleiter ein lineares Schaltverhalten haben, können die Unterschiede in den Kennlinien der integrierten Bauelemente zu einer großen Stromasymmetrie führen.

Das führt dazu, dass ein IGBT außerhalb des sicheren Arbeitsbereichs (Reverse Bias Safe Operating Area, RBSOA) betrieben wird.

Die RBSOA ist als eine Arbeitszone definiert, in dem der maximale Strom sicher abgeschaltet werden kann, ohne die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiters reduzieren oder spezielle Schaltkreise zur Begrenzung der Spannungsüberhöhung verwenden zu müssen.

Die Asymmetrie der parasitären Streu-induktivitäten und die Toleranzen der Bausteinparameter führen dazu, dass die Stromaufteilung zwischen den parallelgeschalteten IGBTs während des Schaltvorganges nicht vorhersehbar ist, was die sichere Abschaltung der Last zu einer komplizierten Aufgabe macht.

Je höher der zu schaltende Strom ist, desto wahrscheinlicher, dass einer der IGBTs beim Ausschaltvorgang überlastet wird.

Quellen der parasitären Induktivitäten

 Parasitäre Induktivitäten entstehen dort, wo der Strom eine bestimmte Fläche einschließt.

Bei Leistungsmodulen sind die nachfolgend aufgeführten Elemente die Hauptquellen der parasitären Induktivität:

  • Bonddraht, Chip-Substrat:

Je nach Höhe und Länge tragen die Bonddrähte wesentlich zur parasitären Induktivität bei.

Eine kurze und gerade Drahtverbindung und Parallelführung der Leiter reduziert die parasitären Induktivitäten in diesem Bereich.

Eine zusätzliche Bonddrahtverbindung zwischen dem Modulsubstrat und den externen Anschlüssen des Moduls erhöht die Streuinduktivität allerdings (Bild 2).

  • Leistungssubstrat:

Auch die Leiterbahnen auf dem Leistungssubstrat umschließen eine Fläche, nur ist in diesem Falle die Streuinduktivität geringer.

Durch die Kupferschicht auf der Rückseite des Substrates und der Bodenplatte aus massivem Kupfer wirkt die Induktivitätsschleife wie ein Transformator, dessen Sekundärwicklung kurzgeschlossen ist.

Der induzierte Wirbelstrom auf der Sekundärseite hebt das Feld des Primärstromes auf. Die verbleibende Induktivität ist nicht dominierend.

  • Verbindungselemente im Modul:

Module mit mehreren Leistungssubstraten müssen mit Brücken versehen werden, um die Strompfade untereinander zu verbinden.

Durch eine flache Konstruktion dieser Elemente oder durch das Überlappen der positiven und negativen Strompfade, die in einer Sandwichbauweise ausgeführt sind, lassen sich die parasitären Streuinduktivitäten reduzieren (Bild 3).

  • Externe Verbindungen:

Die externen Anschlüsse mit Schraubkontakten führen zu Einschränkungen (Bild 4).

Die größeren Dimensionen und die Notwendigkeit, die Isolationsabstände einzuhalten, sind eine weitere Quelle der Streuinduktivität.

Durch den Einsatz von externen Kondensatoren, die direkt an den Gleichspannungsanschlüssen montiert sind, lassen sich weitere Einflüsse der externen Leitungsführung kompensieren.

Werden alle oben erwähnten Maßnahmen ergriffen, pendelt sich die parasitäre Induktivität bei 12 nH bis 15 nH ein, weit entfernt von den 2 nH, die für wirklich schnelle Schaltvorgänge notwendig sind.

Eigener Weg für transiente Ströme

Die hohe Streuinduktivität führt dazu, dass die Schaltgeschwindigkeit reduziert werden muss. Die Schaltgeschwindigkeit des IGBTs kann auf die einfachste Weise durch die Erhöhung des Widerstandes an der Gate-Elektrode verringert werden.

Bei bestimmten IGBT-Technologien wird die Abschaltkennlinie nur wenig von der Höhe des Widerstandes am Steueranschluss beeinflusst. Diese IGBT-Hersteller sehen sich aus diesem Grund gezwungen, bei Komponenten für Applikationen mit höherer Leistung die Abschaltgeschwindigkeit zu reduzieren, was aber als Konsequenz zu höheren Schaltverlusten führt.

Das Prinzip beruht auf einem separaten, parallel geschalteten Strompfad für den transienten Strom (Bild 5).

Während des Schaltvorganges fließt der transiente Strom durch einen niederinduktiven Strompfad (gestrichelte Linie in Bild 5), der Dauerstrom jedoch durch einen Strompfad mit niedrigem Wirkwiderstand (durchgezogene Linie). Die elektrischen Verbindungen in Leistungsmodulen sind für die Durchleitung des Dauerstromes zu dimensionieren.

Man verwendet massive Stromschienen, um eine Überhitzung zu vermeiden, was aber die Induktivität steigen lässt. Im Gegensatz dazu wird der zusätzliche Pfad für den transienten Strom nur während des Schaltvorganges bei hohem di/dt für einige hundert Nanosekunden belastet.