Anleitung zur richtigen Auswahl eines IGBTs

Anbieter zum Thema

ABM Asset and Business Management AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Auswahl der Geschwindigkeit und Abschaltverhalten

Beim IGBT muss der wichtigste parametrische Kompromiss zwischen Leitungs- und Schaltverlusten getroffen werden, zu denen der charakteristische Tail-Strom einen Hauptbeitrag leistet. Halbleiterentwickler können den Abgleich zwischen diesen beiden Werten in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz der Anwendung optimieren. Ein Beispiel für einen Abgleich mit vier verschiedenen Geschwindigkeiten fasst die Tabelle 2 zusammen.

Während dieser Parameter-Wert ziemlich gut in den Datenblättern von hart schaltenden Anwendungen charakterisiert ist, muss an dieser Stelle bei weich schaltenden Applikationen größere Aufmerksamkeit zuteil werden. In diesem Fall kann der Vergleich von zwei Bausteinen unter harten Schaltbedingungen zu irreführenden Schlüssen bei deren weich schaltendem Verhalten führen. Wie Bild 3 zeigt, spielt dann, wenn ein Snubber-Kondensator zum Erreichen eines weichen Abschaltens zwischengeschaltet wird, der Tail-Strom des Bausteins eine größere Rolle als in einer normalen, hart schaltenden Anwendung (Bild 4: hart schaltend versus weich schaltend).

Aus diesem Grund beginnen wir damit, bei manchen Bausteinen, die für den Einsatz unter diesen Bedingungen vorgesehen sind, die Informationen über den Schaltverlust unter weich schaltenden Bedingungen anzugeben: Beim IRGP4068DPBF spezifizieren wir Abschaltverluste mit verschiedenen Werten des Snubber-Kondensators, für den ZVS-Betrieb (Schalten bei Nullspannung). Beim IRG7I313UPBF und beim IRG7IC28UPBF spezifizieren wir einen als EPulse bezeichneten Parameter, gemessen unter ZCS-Bedingungen (Schalten bei Nullstrom).

Die Gehäusewahl und elektrische/thermische Analyse

Gehäuse lassen sich unterteilen in Durchsteck- und oberflächenmontierbare Ausführungen (Bild 5). Durchsteckgehäuse bieten eine breitere Auswahlmöglichkeit für höhere Nennströme und können sehr effizient gekühlt werden.

Die Kennwerte basieren auf einer typischen Montagemethode mit Isolierung. Oberflächenmontierbare Bausteine (SMD; Surface Mount Devices) vereinfachen die Montage, sind jedoch auf niedrigere Nennströme begrenzt und weisen eine wesentlich schlechtere Wärmeleistung auf, selbst dann, wenn Wärme-Vias eingesetzt werden. Man sollte unbedingt beachten, dass Durchsteckbausteine nicht mithilfe von SMD-Methoden montiert werden, da sie nicht dafür ausgelegt sind, die höhere Belastung dieser Prozesse auszuhalten. Die in Bild 5 aufgeführten R_thCS-Ratings der SMD basieren auf typischen Leiterplatten-Montagebedingungen mit thermischen Vias.

Ingenieure müssen in der Lage sein, verschiedene Bausteine hinsichtlich spezifischer Zielsetzungen bei der Anwendungsentwicklung zu vergleichen. Darunter können normalerweise fallen: Wirkungsgrad, maximer Nennstrom, maximaleTemperatur und anderes mehr. Obwohl Spice-Modelle zur Verfügung stehen, bieten diese einen sehr schlechten Zusammenhang bei der Vorhersage von Schaltverlusten. Deshalb besteht ein üblicher Lösungsansatz darin, Verhaltensmodelle für die Bausteine zu erstellen und mittels einfacher Formeln die Gesamtleitungs- und Schaltverluste einer spezifischen Anwendung zu berechnen.

Bei Motorantrieben lässt sich diese Methode zur Berechnung des maximal zulässigen Stroms als Funktion der Schaltfrequenz mit einem festen ∆T_JS berechnen, veranschaulicht in Bild 6. Diese Grafik zeigt den Abgleich zwischen Leitungsverlusten, Schaltverlusten und der thermischen Performance für verschiedene IGBT-Generationen mit gleicher Chipgröße.

Ein ähnlicher Lösungsansatz kann auch in einer Leistungsfaktorkorrektur-Anwendung (PFC; Power Factor Correction) eingesetzt werden (dazu Bild 7).

Mit der Kostenanalyse endet die Auswahl

Und schließlich ist die Kostenanalyse ein integraler Bestandteil des IGBT-Auswahlprozesses, die einen weiteren Freiheitsgrad in der Bausteinauswahl bietet. Das macht die Ergebnisdarstellung des Online-IGBT-Selection-Tools deutlich (Bild 8).

In dieser Analysedarstellung werden verschiedene Bausteine zur Auswahl angeboten, die den Eingabeparametern entsprechen. Sie alle repräsentieren verschiedene Kombinationen der Kosten/Performance-Abstimmung eines Auswahlprozesses dar.

Im Besonderen macht ein umfassendes Baustein-Sortiment mit verschiedenen Bauteil-Generationen (Bild 9) es den Kunden möglich, verschiedene ausgewählte Kosten/Leistungs-Ergebnisse gegeneinander abzuwägen.

Beispielsweise können Planar-Technologien für kostensensitive Lösungen Verwendung finden, wohingegen die jüngsten Trench-IGBTs-Technologie die beste Performance gewährleistet.

* Andrea Gorgerino ... ist IGBT Applications Manager Energy Saving Products bei International Rectifier in El Segundo, USA

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