IGBT Anleitung zur richtigen Auswahl eines IGBTs

Entwickler müssen in der Lage sein, unterschiedliche Bausteine hinsichtlich der spezifischen Designziele einer Applikation zu vergleichen. Dieser Beitrag gibt wichtige Tipps.

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ABM Asset and Business Management AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) sind als Leistungsbausteine erste Wahl bei Anwendungen, die mit Busspannungen von einigen wenigen hundert Volt bis zu nahezu eintausend Volt arbeiten. Als Minoritätsladungsträger haben IGBTs im Vergleich zu MOSFETs in diesem Spannungsbereich überlegene Leitungskennwerte, bieten dabei jedoch eine sehr ähnliche Gate-Struktur und demgemäß eine einfache Regelungsmöglichkeit. Darüber hinaus erhalten die Hersteller durch das Fehlen einer integrierten Freilaufdiode die Flexibilität, eine für die Applikation optimierte schnelle Co-Pak-Diode zu wählen (IGBT und Diode im gleichen Gehäuse), im Gegensatz zur inhärenten MOSFET-Diode, die mit steigender Nennspannung zunehmende Q_rr- und t_rr-Werte aufweist.

Selbstverständlich hat der erhöhte Leitungswirkungsgrad seinen Preis: IGBT sind im Normalfall durch hohe Schaltverluste gekennzeichnet, welche die Schaltfrequenzen in der Anwendung vermindern. Diese wichtigste Abwägung hat genau wie andere applikations- und fertigungsbezogene Erwägungen sowohl zu zahlreichen IGBT-Generationen als auch zu verschiedenen Untergliederungen geführt. Infolge dieser Produktvielfalt ist es von großer Bedeutung, bei der Auswahl von Bausteinen ein hochgenaues Verfahren einzusetzen, da diese Auswahl erhebliche Auswirkungen auf die elektrische Performance und die Kosten haben kann.

Aus Anwendersicht lässt sich der Auswahlprozess für einen IGBT auf ein einfaches Verfahren reduzieren. Und da dieser Prozess von Natur aus iterativ ist, eignet er sich sehr gut für einen automatischen Ablauf. Aus diesem Grund hat International Rectifier ein Online-Auswahl-Tool entwickelt, das die elektrischen und thermischen Modelle für das gesamte und mehr als 200 Bausteine umfassende IGBT-Repertoire von IR enthält.

Die Selektion des IGBT beginnt mit der Auswahl der Spannung

IGBT waren üblicherweise mit Nennspannung von 600 V für den Einsatz in gleichgerichteten 110- bis 230-V-Bussen sowie von 1200 V für Anwendungen im gleichgerichteten 3-phasigen Bus mit einer Spannung von 380 bis 440 V erhältlich. Außerdem liefert IR auch eine begrenzte Anzahl von Bausteinen mit 900 V, ebenso wie in den letzten Jahren ein immer breiteres Angebot mit 300 bis 330 V (diese finden im Allgemeinen nicht in Applikationen Verwendung, die direkt mit dem Netz verbunden sind.

Im Gegensatz zu MOSFETs wird bei IGBT kein Avalanche-Rating angegeben. Deshalb muss unbedingt sichergestellt werden, dass die Spannung, welcher der Baustein im ungünstigsten Fall ausgesetzt wird, unter dem BV-Rating bleibt. Bei dieser Worst-Case-Bedingung müssen im Normalfall die nachfolgenden drei Punkte in Betracht gezogen werden. Erstens: maximale Busspannung verwendet maximale Netzeingangsspannung sowie maximale Bus-Überspannung (zum Beispiel beim elektrischen Bremsen in einer Motorantriebsanwendung). Zweitens: maximales Überschwingen, dem der Baustein während des Abschaltens ausgesetzt ist, verwendet maximale Schaltgeschwindigkeit (di/dt), maximale Streuinduktivität und minimale Bus-Kapazität. Drittens: niedrigste Betriebstemperatur, weil die Durchbruchspannung einen negativen Temperaturkoeffizienten hat.

Kurzschluss-SOA-Rating & kurzschlussfeste IGBT

Dieser Kennwert bezieht sich auf die Fähigkeit des Bausteins, über seine Anschlüssen die volle Busspannung über einen bestimmten Zeitraum (gemesen in µs) auszuhalten und sicher abschalten zu können. Im Rahmen dieser Bedingung wird der IGBT seinen Sättigungsstrom erreichen (abhängig von der Generation und dem Nennstrom des Bausteins) und den Strom im System effektiv steuern, wobei gleichzeitig eine enorme Menge an Verlustleistung erzeugt wird.

Zwar enthalten alle IGBT einen inhärenten Kurzschluss-SOA (Safety Operation Area, sicherer Arbeitsbereich), doch werden IGBT hauptsächlich in kurzschlussfest versus nicht-kurzschlussfest unterteilt. Kurzschlussfeste Bausteine sind so ausgelegt, dass sie den Sättigungsstrom begrenzen, um auf diese Weise die Verlustleistung einzuschränken. Das führt zur Trade-Off-Betrachtung mit der V_CE(on), wie dies Tabelle 1 veranschaulicht

Die Anforderungen an diese Bauelementeausführungen werden durch die Anwendung bestimmt. Ein Beispiel zeigt Bild 2, in dem am Ausgang eines Wechselrichters für einen Motorantrieb ein Kurzschluss auftritt. Der IGBT muss eine ausreichend große Zeitspanne überstehen, sodass die Schutzschaltung die Bausteine sicher abschalten kann.

Bei großen industriellen Antrieben zwingen das Vorhandensein von langen Kabeln zwischen dem Wechselrichterausgang und dem Motor sowie dessen zugehörige parasitäre Kapazitäten den Entwickler, die Schutzschaltungen mit einer gewissen Verzögerungszeit zu versehen, um Fehlauslösungen zu vermeiden. Dies erhöht wiederum die Anforderungen an den IGBT. Die Branche hat einen Wert von 10 µs für diese Art von Anwendungen als Standard festgelegt, und IR bietet für diese Bemessungsgröße ein volles Produktspektrum an.

In manchen Fällen ist es möglich, die Verzögerungszeit der Schutzschaltung zu verringern, beispielsweise in integrierten Motorantrieben, bei denen der Motor unmittelbar am Ausgang des Wechselrichters angebracht ist. In diesem Fall lässt sich der Baustein optimieren, und dafür hat IR eine Bausteinfamilie mit niedriger V_CE(on) mit einem Kurzschluss-SOA-Rating von 5 bis 6 µs im Angebot.

Betrachten wir nun die nicht-kurzschlussfesten IGBTs: In manchen Anwendungen, etwa in Stromversorgungen, liegt eine Spule zwischen den Bausteinen und den Ausgangsanschlüssen. In diesem Fall schaltet, wenn an den Ausgangsanschlüssen ein Kurzschluss auftritt, die ausgangsseitige Spule in Reihe mit dem DC-Bus. Dadurch wird der Strom di/dt durch die Induktion geregelt (Bild 3). Das bedeutet, dass sich die Bausteine selbst nicht in Kurzschlussbedingung befinden; und den Kurzschluss-Schutzschaltungen bleibt ausreichend Zeit, sie abzuschalten. Infolge der Tatsache, dass diese Anforderung an den IGBT entfällt, gibt es von IR ein vollständiges Sortiment von nicht-kurzschlussfesten IGBT mit sehr niedriger V_CE(on) zum Einsatz in Schweißgeräten, USV, Solaranlagen und ähnlichen Applikationen.

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