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Robustes IGBT-Modul von Mitsubishi

Feldausfälle minimieren

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

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Erschwerte Einsatzbedingungen

Um zu überprüfen, ob der HV-IGBT thermisch wegläuft (Thermal Runaway), maßen die Entwickler dessen Sperrstrom I_CES. Dabei war das Modul auf einem Kühlkörper montiert, dessen Temperatur bei +150 °C konstant gehalten wurde. Schrittweise steigend legten die Entwickler dann eine Gleichspannung in Sperrrichtung von 1 kV bis 6,5 kV an. Dabei betrug I_CES weniger als 30 mA bei einer Temperatur von +150 °C und V_CE = 6,5 kV, und zeigte bei keinem Spannungsschritt irgendeine Tendenz zum thermischen Weglaufen.

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Das Isolationsverhalten des HV-IGBTs wurde verifiziert, indem die Entwickler das Teilentladungsverhalten nach thermischer Belastung untersuchten. Dazu maßen und verglichen sie das Teilentladungsverhalten im Modul vor und nach thermischen Belastungstests jeweils miteinander (Lagerung unter Hochtemperatur bei +150 °C für 500 Stunden; thermischer Wechsellasttest mit 200 Zyklen zwischen –40 °C und +125 °C). Danach legten sie Prüfspannungen bis zu 6,9 kV (Effektivwert) an das Modul an. Die Messergebnisse zeigten, dass sich das Teilentladungsverhalten vor und nach der thermischen Belastung nicht veränderte. Dies bestätigt, dass die gewählte Isolation im neuen HV-IGBT-Modul auch bei hoher Temperatur stabil und robust bleibt.

Die Stabilität der Leistungshalbleitermodule unter hoher Feuchtigkeit lässt sich anhand eines Betauungstests überprüfen [9]. Dazu wurde der Sperrstrom I_CES unter Betauung bei V_CE = 5200 V, V_GE = 0 V und T_a = +25 °C gemessen. Auch nach fünf Wiederholungen des Betauungstests änderte sich der Sperrstrom des Moduls nicht, was ein Beleg ist für das robuste Design des HV-IGBTs gegen hohe Luftfeuchtigkeit.

Literatur

[1] Z. Chen, et al., »LPT (II)-CSTBTTM (III) for High Voltage Application with Ultra Robust Turn-off Capability Utilizing Novel Edge Termination Design«, Proc. ISPSD 2012, pp. 25, Belgien
[2] K. Hatori, et al., »The Next Generation 6.5 kV IGBT Module with High Robustness«, Proc. PCIM Europe 2014, pp. 28-33, Deutschland
[3] J. Luts, et al., »Short Circuit III in High Power IGBTs«, Proc. EPE 2009, Barcelona
[4] S. Pierstorf, et al., »Different Short Circuit Types of IGBT Voltage Source Inverters«, Proc. PCIM Europe 2011, pp. 592-597, Germany
[5] K. Hatori, et al., »Wide temperature operation of high isolation HV-IGBT«, Proc. PCIM Europe 2010, pp. 470-475, Deutschland
[6] A. Nishii, K. Nakamura, F. Masuoka, and T. Terashima, »Relaxation of Current Filament due to RFC Technology and Ballast Resistor for Robust FWD Operation«, Proc. ISPSD’11, pp. 112-115, San Diego, USA, 2011
[7] H. Uemura, et al., »Optimized Design against Cosmic Ray Failure for HVIGBT Modules«, Proc. PCIM Europe 2011, pp. 26-31, Deutschland
[8] Ze Chen, et al., »A Balanced High Voltage IGBT Design with Ultra Dynamic Ruggedness and Area-efficient Edge Termination«, Proc. ISPSD 2013, pp. 37, Kanazawa, Japan
[9] N. Tanaka, et al., »Robust HVIGBT module design against high humidity«, Proc. PCIM Europe 2015, pp. 368-373, Deutschland