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4,5-kV-IGBT- und Dioden-Chipsatz

IGBTs in HGÜ-Anwendungen

4. Dezember 2014, 11:52 Uhr | Von Thomas Schütze und Josef Georg Bauer

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Der Chipsatz und seine Eigenschaften

Die IGBT-Trench-Technologie bietet diese Optimierung in Richtung geringer Durchlassverluste, wobei der Effekt des Ladungsträgerstaus durch die Trench-Zellen mit einem angepassten Zellraster optimal genutzt wird. Kanallänge sowie Kanalweite sind der hohen Sperrspannung entsprechend angepasst. Die Trench-Technologie eröffnet im Vergleich zur planaren Zell-Technologie die Möglichkeit, die Ladungsträgerkonzentration und -verteilung über einen deutlich größeren Bereich einzustellen. Bild 2 zeigt den schematischen Querschnitt eines 4,5-kV-IGBT und einer EC-Diode (Emitter Controlled). Für den Rand beider Chips wird das VLD (Varied Lateral Doping) eingesetzt. In Kombination mit der vertikalen HDR-Struktur kann im Randbereich durch eine deutliche Reduzierung der dort auftretenden Feldstärken eine extrem hohe Abschaltrobustheit des IGBT beziehungsweise eine Kommutierungsrobustheit der Diode erreicht werden.

Statische Eigenschaften

Um die erwünschten niedrigen Durchlassspannungen für den 4,5-kV-IGBT zu erzielen, wurde die bereits für 6,5-kV-Bauelemente verwendete Trench-Technologie angepasst. Dazu gehören ein geeignetes Grundmaterial aus Silizium, eine adaptierte Feldstopp-Auslegung und ein optimiertes Zellendesign. Das Ergebnis ist ein 4,5-kV-Bauelement mit den niedrigsten am Markt verfügbaren Durchlasseigenschaften. Bei 1200 A, dem Nominalstrom des FZ1200R45HL3-Moduls, wird ein typisches U_CE(sat) von 2,35 V bei +25 °C, 2,9 V bei +125 °C und 3,0 V bei +150 °C Sperrschichttemperatur erreicht. Die EC-Diode zeigt bei ihrem Nennstrom von 1200 A einen nahezu neutralen Temperaturkoeffizienten. Der typische Durchlassspannungsabfall im gesamten Temperaturbereich von +25 bis +150 °C ist kleiner 2,5 V.

Dynamische Eigenschaften

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Bild 3 zeigt Beispiele für das Schaltverhalten unter nominalen Bedingungen, also bei U_CE = 2,8 kV, I_C = 1200 A und T = +150 °C. Bei einer Kommutierungsinduktivität von 150 nH kann ein sehr softes, oszillationsfreies Abschaltverhalten beobachtet werden. Die Kollektorspannung erreicht dabei einen Scheitelwert von 3,4 kV. Dieses gewünscht softe Abschaltverhalten stellt sich aber auch bei ungünstigeren Bedingungen wie höheren Streuinduktivitäten, höherem Strom und Betriebstemperaturen bis herab zu –40 °C ein. Weiterhin ist ein typisches Einschalten des IGBT sowie das Abschalten der Diode zu sehen. Deutlich zu erkennen ist der Tail-Strom, der das sanfte Schaltverhalten der Diode gewährleistet.

Schalten bei hohen Spannungen und Strömen

Für HGÜ-Anwendungen ist es wichtig, dass der IGBT auch bei anliegenden hohen Spannungen und Strömen im Fehlerfall sicher abschalten kann. Um die Robustheit des Bauelementes unter diesen grenzwertigen Bedingungen abzusichern, wird auch das Verhalten jenseits der Grenzen des sicheren Arbeitsbereiches RBSOA (Reverse Bias Safe Operating Area) des IGBT und SOA (Safe Operation Area) der Diode untersucht.

Die Kanalweite ist einer der Parameter, mit denen das Einschaltverhalten des IGBT wirkungsvoll beeinflusst wird. Durch eine höhere Kanalweite kann ein schnelleres Einschalten auch sehr hoher Ströme erreicht werden. Allerdings führt eine Vergrößerung der Kanalweite gleichzeitig zu einer Erhöhung des im Falle eines Kurzschlusses auftretenden Stromes. Daher musste bei der Auslegung ein Kompromiss zwischen Optimierung des Einschaltverhaltens und der Kurzschlussfestigkeit gefunden werden. Die vertikale Chipstruktur des IGBT wurde dahingehend modifiziert, dass diese gegenläufigen Anforderungen erfüllt werden konnten.