650-V-IGBTs der dritten Generation
Kaum noch Oszillationen im Strom- und Spannungsverlauf
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wechselrichter profitieren
Systeme wie etwa PV-Wechselrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgungen enthalten mindestens eine Wechselrichterstufe zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom. Die dabei entstehende sinusförmige Energie wird entweder (bei PV-Wechselrichtern) in das Stromnetz eingespeist oder (im Fall einer USV) zur Versorgung von Verbrauchern genutzt.
Bei einphasigen Systemen werden in der Regel Halb- oder Vollbrücken-Topologien verwendet, während bei dreiphasigen Systemen auch auf den Sternpunkt geklemmte dreistufige Topologien zum Einsatz kommen können. Dabei werden diskrete IGBTs und IGBT-Module eingesetzt.
Die Kommutierung erfolgt beim Ein- und Abschalten durch hartes Schalten, sodass die Leistungsfähigkeit der im selben Gehäuse untergebrachten, antiparallel geschalteten Diode eine entscheidende Rolle spielt. Die eingebauten Gen-6-FRDs überzeugen hierbei durch ihre geringe Vorwärtsspannung und ihre reduzierte Sperrverzögerungsladung.
Zur Evaluierung der Leistungsfähigkeit von Gen-3-IGBTs im hart schaltenden Betrieb kam ein einphasiger Halbbrücken-Wechselrichter zum Einsatz. Bild 4 zeigt das vereinfachte Schaltbild und die Tabelle 1 die wichtigsten elektrischen Kenndaten zu diesem Schaltungstyp.
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Für den Vergleich mittels dieser Wechselrichterschaltung wurden IGBTs der zweiten Generation (RGTH80TS65D) und der dritten Generation (RGW80TS65D) herangezogen. Zu Vergleichszwecken wurden außerdem Bausteine eines Mitbewerbers C geprüft. Der Gate-Widerstand Rg,off wurde so gewählt, dass eine übermäßig hohe Spannungsspitze (UDS) beim Abschalten vermieden wird.
Die Schleifeninduktivität des Wechselrichters ist mit etwa 50 nH recht gering, sodass kleine Gate-Widerstände ausreichen. Bei den IGBTs der zweiten und der dritten Generation ergab ein Rg,off-Wert von 5 Ω eine maximale Spannungsspitze beim Abschalten von 520 V, die damit um 20 % unter der Durchbruchspannung lag.
Beim Baustein von Mitbewerber C wurde der Widerstandswert auf 10 Ω angehoben, um eine Sicherheitsmarge von 20 % zu erhalten. Der On-Gate-Widerstand Rg,on hatte bei allen drei Bausteinen einen Wert von 5 Ω.
Mit diesen Gate-Widerstandswerten wurde für unterschiedliche Lastbedingungen der Wirkungsgrad des Wechselrichters gemessen. Die Resultate sind in Bild 5 dargestellt. Dabei wurden die Verluste im IGBT selbst ebenso berücksichtigt wie jene in den Ausgangsfiltern sowie in den Kabeln und Steckverbindern.
Die Verbesserung der dritten IGBT-Generation gegenüber der zweiten ist klar erkennbar. Bei niedriger Ausgangsleistung erzielt der Gen-3-IGBT einen um 1,4 % höheren Wirkungsgrad, während bei mittlerer und hoher Leistung ein um 0,4 % höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Der Unterschied zwischen Mitbewerber C und dem RGW80TS65D der dritten Generation liegt im Bereich der Messgenauigkeit und kann daher vernachlässigt werden.
Das Abschaltverhalten
Abgesehen von der Leistungsfähigkeit gehört die UCE-Charakteristik beim Abschalten zu den wichtigen Merkmalen eines IGBT. Insbesondere die möglichen Oszillationen von UCE, die letztendlich an die Gate-Spannung
reflektiert werden können, sind zu beachten.
Bild 6 zeigt einen Vergleich zwischen dem RGW80TS65D (links) und einem Konkurrenzbaustein B – eine schnelle Version des Konkurrenztyps C. Im Rahmen von Tests wurden die Signalverläufe während des Abschaltens in einem tragbaren Schweißgerät aufgezeichnet – mit einer relativ hohen Streuinduktivität von über 100 nH in der Schleife.
Bild 6 zeigt rechts oben die Messung von Mitbewerber B mit Rg,off=10 Ω. Im Vergleich mit den Wellenformen des RGW80TS65D (links) ist sichtbar, dass nicht nur die Überschwinger von UCE im Fall von Konkurrenzbaustein B zweimal so hoch sind (244 V anstatt 120 V), sondern dass zusätzlich nach der ersten Spitze weitere Oszillationen zu beobachten sind.
Beim RGW80TS65D tritt dagegen nur ein einziger Überschwinger auf, bevor UCE gleichmäßig die DC-Zwischenkreisspannung erreicht. Folglich ist davon auszugehen, dass die elektromagnetischen Störaussendungen im Fall des RGW80TS65D deutlich geringer ausfallen.
Die Rückkoppel-Kapazität zwischen Kollektor und Gate beim Konkurrenzbaustein B bewirkt außerdem, dass die Oszillationen von UCE an UGE zurückschlagen, was positive Spitzen erzeugt, die die Schwellenspannung des IGBT erheblich übersteigen. Dies birgt das Risiko parasitärer Einschaltvorgänge, die zur Zerstörung des gesamten Systems führen können.
Um die Oszillationen im IGBT des Mitbewerbers B zu verringern, kann
der Wert von Rg,off angehoben werden, zum Beispiel wie in Bild 6 unten auf Rg,off = 33 Ω. Hierdurch werden die Spitzen tatsächlich reduziert, doch treten die Oszillationen auf UCE bei Mitbewerber B jetzt über eine wesentlich längeren Zeitspanne auf als beim RGW80TS65D mit Rg,off = 10 Ω auf. Hinzu kommt, dass die UCE-Spitze nach wie vor höher ist als die Schwellenspannung des IGBT.
Das Gen-3-IGBT-Portfolio
Tabelle 2 zeigt Rohms Gen-3-Portfolio. Für jede Stromklasse werden pro Serie zwei Bausteine angeboten, nämlich ein Einzel-IGBT und ein IGBT mit eingebauter FRD (Fast-Recovery-Diode). Bei der RGTV-Serie besitzt die eingebaute FRD denselben Nennstrom wie der IGBT, während die FRD bei der RGW-Serie für einen niedrigeren Strom ausgelegt ist als der IGBT. In der Tabelle ist der Nennstrom der FRD jeweils in Klammern angegeben.
Literatur
S. Hondo, Y. Enomoto, Y. Kawamoto, A. Hikasa, K. Ino: „High efficient and soft IGBT technology”, PCIM 2017.
Der Autor
Masaharu Nakanishi
hat Physik an der Universität Kobe in Japan studiert. Seit seinem Eintritt bei Rohm ist Nakanishi im Bereich Simulation Engineering von Leistungsbauteilen tätig. Seit 2013 ist er für das Produktmarketing Leistungsbauteile bei Rohm Semiconductor verantwortlich.
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