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Bourns neue IGBT-Generation

Spezifikation von IGBTs für Elektromotorsteuerungen

8. Dezember 2023, 7:30 Uhr | Von Wayne Dossey, Bourns und Falko Ladiges, WDI

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IGBT-Kompromisse

Mit der Wahl eines Bauteils, das hohe Schaltfrequenzen aufgrund geringerer Schaltverluste bietet, sind höhere Leitungsverluste verbunden. Höhere Leitungsverluste verursachen eine höhere Verlustleistung, so dass größere und oft sperrige Kühlkörper benötigt werden und zu erhöhten Systemkosten und Platzbedarf führen. Umgekehrt arbeitet ein Bauteil mit geringeren Leitungsverlusten effizient bei niedrigeren Frequenzen, aber seine Kurzschlussfestigkeit sinkt. Dieser Kompromiss ist in nachfolgender Abbildung dargestellt.

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Überlegungen zum sicheren Betriebsbereich (SOA)

IGBTs, die in der Nähe ihres Strom- und Spannungsmaximums arbeiten, erfordern Sorgfalt, um diese Parameter sicher innerhalb der Datenblattspezifikationen zu halten. Darum liegt das Hauptaugenmerk darauf, den Kollektorstrom unter dem Maximalwert zu halten und gleichzeitig die Spannung, die vom Kollektor zum Emitter führt, unter dem Datenblattwert zu halten. Beim Betrieb in Durchlassrichtung im sicheren Betriebsbereich (Forward Bias Safe Operating Area, FBSOA) müssen zusätzliche Überlegungen zum maximalen gepulsten Kollektorstrom angestellt werden, die auf der Impulsbreite und der Impedanz des thermischen Designs beruhen.

Dabei definiert der FBSOA den maximalen gesättigten Kollektorstrom für die maximale Kollektor-Emitter-Spannung, die normalerweise für induktive Lasten verwendet wird. Unter dem Reverse-Bias Safe Operating Area (RBSOA) ist der maximale Strom eine Funktion der Spitzenspannung zwischen Kollektor und Emitter während des Abschaltens. Es ist notwendig, den maximalen Grenzwert einzuhalten, um die Fast-Recovery Diode bei der maximalen Sperrschichttemperatur zu schützen.

Schlussfolgerung

Den Entwicklern wird durch die Verwendung von IGBTs für Wechselrichter in Anwendungen zur Steuerung von Elektromotoren geholfen, die Systemkosten zu senken, da diese Bauelemente eine kleinere Chipgröße haben, die eine höhere Stromdichte ermöglicht. Insbesondere unterstützen Bourns diskrete IGBTs den Betrieb bei höheren Temperaturen und bieten die Möglichkeit, die Wärme aus den IGBT-Gehäusen abzuführen. In Verbindung mit ihrem thermisch effizienten Design kombinieren diese IGBTs die geringere Betriebsverluste mit einer höheren Überlast- und Kurzschlussstromfestigkeit, um eine überlegene Schaltlösung zu bieten.

Darüber hinaus ist eine Optimierung erforderlich, um den IGBT zwischen Leitungsverlusten und Schaltverlusten auszubalancieren und auf eine spezifische Anwendungsanforderung, basierend auf dem im Endprodukt verwendeten Motortyp, abzustimmen. Für Motorsteuerungsanwendungen wird ein Trench-Gate Field-Stop (TGFS) IGBT+FRD mit 600 V/650 V Nennspannung in einem TO-247-Gehäuse als ideale Lösung angesehen. Diese IGBT Gerätemerkmale bieten eine verbesserte thermische Leistung, eine niedrige VCE(sat) und einen hohen Wirkungsgrad aufgrund einer geringeren Gesamtverlustleistung bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit im Vergleich zu Planar-IGBTs der vorherigen Generation.