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Robustes IGBT-Modul von Mitsubishi

Feldausfälle minimieren

1. Juni 2017, 15:30 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Verifizierung des Designs

Unter Verwendung der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Designkonzepte hat Mitsubishi Electric ein V-IGBT-Modul für 1000 A/6500 V entwickelt, den ersten Vertreter einer neuen HV-IGBT-Generation namens »X-Series«. Im Folgenden geht es darum, mit welchen Tests die verbesserte Robustheit der X-Series gegen erschwerte Einsatzbedingungen verifiziert wurde.

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Zur Überprüfung der Abschaltfähigkeit wurde der abzuschaltende Kollektorstrom I_C bei einer Zwischenkreisspannung V_CC von 4500 V und einer maximalen Sperrschichttemperatur T_J von +150 °C in einer Halbbrückenschaltung mit induktiver Last allmählich gesteigert. Wie in Bild 6 zu sehen, ließ sich damit bestätigen, dass der neue HV-IGBT einen Kollektorstrom von 4000 A problemlos und ohne Beschädigung abschalten konnte. Dies entspricht dem vierfachen Nennstrom des Moduls.

Die Kurzschlussfestigkeit von IGBTs wird oft anhand der Pulsweite des Kurzschlussstroms t_w quantifiziert bzw. mittels der im Halbleiter während des Kurzschlusses umgesetzten Energie. In der Praxis lassen sich die bereits weiter oben genannten Kurzschlussarten in die Typen 1, 2 oder 3 unterteilen. Die nachfolgenden Bilder zeigen beispielhaft das Verifikationsergebnis für Kurzschlüsse vom Typ 2 (Auftreten eines Kurzschlusses bei bereits leitendem IGBT) und Typ 3 (Auftreten eines Kurzschlusses, während sich eine der antiparallelen Dioden im Freilaufmodus befindet). Dazu wurden entsprechende Tests ausgeführt, indem die Halbbrückenschaltung (Bild 7) entsprechend konfiguriert und dann die passenden Pulssequenzen angelegt wird (Bild 8).

Der Prüfling (DUT) ist der IGBT2. Der Kurzschluss wird durch den Hilfsschalter IGBT3 eingeleitet, der mit der Kurzschlussschleife verbunden ist. Da der Kurzschlussstrom des Prüflings nicht durch den Sättigungsstrom von IGBT3 begrenzt werden darf, wird nur ein Segment des Prüflings IGBT2 genutzt. Die Testbedingungen waren V_CC = 4200 V und T_J = +150 °C. Wenn das Modul von seiner Konstruktion her unzureichend kurzschlussfest wäre, dann würde der Prüfling zerstört, nachdem der Kurzschlussstrom seinen Spitzenwert erreicht hat. In Bild 8 (rechts) ist beispielhaft ein derartiger Zerstörungsverlauf beim Kurzschluss vom Typ 3 gezeigt. Die zerstörungsfreien Verläufe in Bild 9 belegen, dass das neu entwickelte Modul für 1000 A/6500 V gegen Kurzschlüsse vom Typ 2 und 3 entsprechend robust ist.

Die dynamische Robustheit einer Freilaufdiode lässt sich durch deren Fähigkeit beschreiben, hohe Spitzenleistungen (P_rr) während der Rückwärtserholung zuzulassen. Verfügt ein Diode über eine unzureichende P_rr-Belastbarkeit, so kann dies zu ihrer Zerstörung bei hoher Spannung und hohem di/dt während der Rückwärtserholung führen. In den durchgeführten Verifizierungstests konnte Mitsubishi Electric bestätigen, dass das neue HV-IGBT-Modul dank des Einsatzes einer RFC-Diode auch sehr harte Rückwärtserholbedingungen mit einer P_rr = 13,0 MW übersteht. Selbst wenn der HV-IGBT unter harten Bedingungen wie hoher Temperatur, hohen Spannungen und hohen Strömen betrieben wird, ist sein Stromverlauf während der Rückwärtserholung kontinuierlich ohne Abreißeffekt (Bild 9).