Layout und Ansteuerung von Hilfsanschlüssen in IGBT-Modulen
Druckkontakte statt Lötstifte
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Schaltverhalten im Vergleich: Federkontakte vs. Lötstifte
Die Spiralfedern wirken wie kleine Luftspulen mit einer Eigeninduktivität von einigen nH. Sie sind vertikal im Ansteuerpfad zu den IGBT-Gate-Anschlüssen angeordnet. Der Einfluss der Federkontakttechnik auf das Schaltverhalten wurde in einer dynamischen Messung untersucht, wobei als Testobjekt ein Standard-Halbbrückenmodul (mit Spiralfedern) des Typs SEMiX 703GB126HD (1200 V / 450 A) unter Nennbedingungen Einsatz fand. Zum exakten Vergleich der Ergebnisse wurde ein zweites SEMiX-Modul vermessen, bei dem die Hilfskontakte als Lötstifte anstelle von Federkontakten ausgeführt waren.
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In Tabelle 2 sind die typischen Ein- und Ausschaltverlustenergien Eon und Eoff aufgelistet. Die Ergebnisse zeigen eine vernachlässigbare Differenz bei den Gesamt-Schaltverlusten Eon + Eoff je 100 A. Die Stromsteilheiten dIC/dt zeigen ähnliche Werte.
Darüber hinaus ist das Kurzschlussverhalten für beide Module identisch: Die Ausführung mit Spiralfedern zeigt keine Unterschiede hinsichtlich der Grenzwerte dIE/dt, ICmax und UCEmax.
Die Untersuchung belegt, dass die Eigeninduktivität der Spiralfedern von einigen nH keinen Einfluss auf das Schaltverhalten der SEMiX-Module hat.
Einfluss der Suppressordioden als Gate-Emitter-Klemmdioden
Beim Einsatz dynamischer Gate-Ansteuerverfahren sind die Strom- und Spannungsteilheiten di/dt und du/dt sowie die induzierten Überspannungen direkt vom Treiber abhängig. Zur Kontrolle der maximalen Gate-Emitter-Spannung UGE sowie zur Begrenzung der dynamischen Kurzschlussstrom-Amplitude lässt sich eine Überspannungsbegrenzung an den Steueranschlüssen realisieren. Eine einfache Schaltungsvariante besteht in einer passiven Klemmung des Gate-Emitter mit Hilfe von Zener- bzw. TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor).
Der Einfluss der dynamischen Gate-Ansteuerung über Suppressordioden zwischen Gate und Emitter wird nun an einem Halbbrückenmodul SEMiX 703GB126HD (1200 V/450 A) im harten Kurz-schlussbetrieb untersucht.
Setzt man eine bidirektionale TVS-Diode, Typ SMBJ15CA (SMD, UBR = 16,7 bis 18,5 V, 600 Wpeak), direkt zwischen die Spiralfedern G11/G21 am Gate und die Emitter-Hilfskontaktfedern Ex11/Ex21 am IGBT T1/B1, so lässt sich das Kurzschlussverhalten der TOP- und BOT-Schalter deutlich verbessern. Im Ergebnis erfolgt eine Reduzierung des maximalen Kurzschlussstroms ISCmax sowie der Schwingungen im Kurzschlussstrom (Tabelle 3). Demgegenüber ist jedoch ein deutlicher Anstieg der Einschaltverlustenergie Eon zu erkennen.
In einem zweiten Test mit einer TVS-Diode, Typ P6KE16CA (UBR = 15,2 bis 16,8 V, 600 Wpeak), mit axialen Drahtanschlüssen, die direkt an der Stiftleiste der Interface-Platine angebracht wurden, zeigte sich keine Verbesserung des Ausschaltverhaltens im Kurzschlussfall. In diesem Fall ist keine Veränderung der Einschaltverlustenergie Eon festzustellen. Diese Positionierung der TVS-Diode hat keinerlei Einfluss auf den Einschaltvorgang
Die Bilder 3 bis 5 zeigen den Zusammenhang zwischen der Positionierung der TVS-Dioden und dem resultierenden Ausschaltverhalten im Kurzschlussfall. Ein Vergleich verdeutlicht, welche Vorteile sich bei einer guten Klemmung am BOT-IGBT-Schalter ergeben:
Die beste Klemmung wird erreicht, wenn die TVS-Diode so nahe wie möglich an den IGBT-Federhilfskontakten positioniert wird. Bild 3 zeigt eine sehr gute UGE-Klemmung, einhergehend mit guter Begrenzung von ISC und UCE. Ein größerer Abstand zwischen der TVS-Diode und den IGBT-Federkontakten hat höhere Schwingungen des Kurzschlussstroms ISC zur Folge. Bild 4 zeigt eine ungünstige UGE-Klemmung, einhergehend mit einer geringeren Reduzierung von ISC und UCE. Ohne den Einsatz einer Suppressordiode (Bild 5) erfolgt keinerlei Begrenzung, und ISC und UCE zeigen deutliche Schwingungen. Zu berücksichtigen ist, dass direktes Klemmen am IGBT-Chip durch TVS-Dioden zu einem Anstieg der Einschaltverlustenergie Eon führt.
- Druckkontakte statt Lötstifte
- Einfluss der Position von Emitter-Hilfskontakten
- Schaltverhalten im Vergleich: Federkontakte vs. Lötstifte
