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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 2

Kurzschlussfestigkeit und Robustheit

Um die Kurzschlussfestigkeit des IGBT zu demonstrieren, wurde der Kurzschluss 1 unter den Bedingungen U_CE = 3000 V, U_GE = 17 V und T = +125 °C getestet. 9500 A, fast der 8-fache Nennstrom, konnte erfolgreich abgeschaltet werden. Die vertikale Struktur des IGBT wurde so optimiert, dass auch lange Kurzschlussdauern möglich sind. Bild 4 zeigt die Verläufe eines Kurzschlusstests. Der Kurzschluss konnte durch das IGBT-Modul FZ1200R45HL3 erfolgreich abgeschaltet werden. Kurzschlussdauern bis 10 µs sind zulässig.

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Sowohl in HGÜ- als auch in Traktionsanwendungen gewährleistet eine hohe Überstromabschaltfähigkeit für IGBT und Diode die Zuverlässigkeit des Systems. Durch Anwendung des HDR-Konzepts kann der Einfluss des Randabschlusses auf die erreichbare Robustheit vernachlässigt werden. Somit stellt lediglich das Zellendesign einen limitierenden Faktor dar. Die Trench-Struktur erlaubt auf einfache Art eine weitere Reduzierung der Source-Länge im IGBT. Durch diese Maßnahme kann die Stromdichte reduziert werden, da sie invers proportional zur Source-Länge ist und somit das Latch-up-Verhalten des IGBT deutlich verbessert wird. Hierdurch kann eine sehr gute Abschaltrobustheit erreicht werden. Dies wird durch Abschalten von Strömen in Höhe bis zum 5-fachen Nennstrom ohne Auftreten von Oszillationen auf den Strom- und Spannungsverläufen demonstriert.

Zusätzlich zu den niedrigen Durchlassverlusten der 4,5-kV-EC-Diode zeigt diese eine außergewöhnliche Robustheit bzgl. in der Diode auftretender Recovery-Verluste. Anhand eines Moduls mit 200 A Nennstrom wurden Spitzenleistungen von Pmax ≥4 MW ohne Zerstörung geschaltet.

Im Fehlerfall, z.B. bei einem Kurzschluss in der Hochspannungsleitung, können extreme Stoßströme während des Diodenbetriebs auftreten. Die Fähigkeit, diesen Stoßströmen standzuhalten, ist ein wichtiges Kriterium für die Nutzbarkeit eines Moduls. Die hohe Stoßstromfestigkeit konnte durch Optimierung der vertikalen Struktur erreicht werden, was gleichzeitig zu einem sehr niedrigen Durchlasswert U_f führt. Für ein Modul mit I_C = 1200 A und einer Sperrschichttemperatur von +125 °C wird ein typischer zulässiger Stoßstrom I_FSM in der Größenordnung von 10 kA erreicht, was einem I²t-Wert von 500 kA²s entspricht.

Robustheit bezüglich Höhenstrahlung

Ein besonderes Augenmerk wurde auf Robustheit des 4,5-kV-IGBT und der zugehörigen EC-Diode bezüglich Höhenstrahlung gelegt. Die typische höhenstrahlungsbedingte Ausfallrate FIT (Failure In Time), d.h. die Anzahl zu erwartender Ausfälle in 10⁹ Betriebsstunden, wurde für das Modul FZ1200R45HL3 bei ca. 3 kV Zwischenkreisspannung zu 100 FIT ermittelt. Neben dem Betrieb mit konstant anliegender Zwischenkreisspannung wurde auch die Situation bei Schaltbetrieb untersucht. Simulationen bestätigen, dass durch die Begrenzung der elektrischen Feldstärke im Bauelement ein zusätzlicher, dynamischer Anteil der FIT-Rate vernachlässigbar ist, wenn sich die auftretenden dV/dt-Werte im Rahmen bis zu 2 kV/µs bewegen.

Die 4,5-kV-Trench/Feldstopp-IGBT und EC-Diode wurden speziell für die Anforderungen industrieller Anwendungen und, im IHV-B-Gehäuse, für HGÜ-Anwendungen entwickelt. Wesentliche Eigenschaften von IGBT und Diode sind die Optimierung auf geringstmöglichen Durchlass und schnelles Einschaltverhalten auch unter höchsten Spannungen und Strömen jenseits der Standardbedingungen. Der FZ1200R45HL3 zeigt dabei auch im Kurzschlussfall eine sehr gute Abschaltfähigkeit. Die Bauelemente sind ausgelegt für Betriebstemperaturen bis +150 °C. Diese Kennwerte konnten durch die Trench-Technologie sowie Adaption des bereits beim 6,5-kV-IGBT zum Einsatz kommenden Trenchzellen-Design und der Vertikalstruktur mit HDR erreicht werden.

Thomas Schütze
betreut als Senior Manager Technical Marketing bei der Infineon Technologies AG die IGBT-Spannungsklassen von 3300, 4500 und 6500 V. Er ist seit 17 Jahren in unterschiedlichen Positionen für das Technische Marketing und den Kunden-Support für Hochleistungsmodule zuständig. Nach seiner Promotion auf dem Gebiet Leistungselektronik an der Technischen Universität Berlin war er fünf Jahre als Entwickler von Traktionsantrieben für U-, S- und Straßenbahnen tätig.

Thomas Schütze

betreut als Senior Manager Technical Marketing bei der Infineon Technologies AG die IGBT-Spannungsklassen von 3300, 4500 und 6500 V. Er ist seit 17 Jahren in unterschiedlichen Positionen für das Technische Marketing und den Kunden-Support für Hochleistungsmodule zuständig. Nach seiner Promotion auf dem Gebiet Leistungselektronik an der Technischen Universität Berlin war er fünf Jahre als Entwickler von Traktionsantrieben für U-, S- und Straßenbahnen tätig.

Josef Georg Bauer
ist bei Infineon Technologies AG seit 15 Jahren als Senior Specialist R&D und Projektleiter für Bauelemente-Entwicklung, IGBTs und Dioden der Spannungsklassen von 3300 V bis 6500 V, tätig. Nach dem Studium Physikalische Technik an der Hochschule München war er bei Siemens CT als Entwickler von optoelektronischen Bauelementen in III-V-Halbleiter beschäftigt.