Bestimmung der besten Kompromisslösung für minimale IGBT-Verluste

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Eine nachhaltige Methode zur Beurteilung der maximalen Strombelastbarkeit verschiedener IGBTs in einer Anwendung besteht darin, den Effektivwert der Strombelastbarkeit mit der Schaltfrequenz zu vergleichen.

Das zeigt beispielhaft Bild 1 für die beiden Bausteine, die in diesem Beitrag gegenübergestellt werden. Diese Kurve entsteht, wenn man die maximale Verlustleistung des IGBT auf der Grundlage eines DBC-Moduls mit sinusförmiger PWM-Steuerung bestimmt. Die Gehäusetemperatur liegt bei 100 °C und die Sperrschichttemperatur bei 125 °C. Einige IGBT-Hersteller stellen zur Unterstützung der Entwickler ähnliche Diagramme auf ihren Datenblättern zur Verfügung. Die in Bild 1 gezeigten Ergebnisse entsprechen den Erwartungen: Unter einer bestimmten Frequenz bietet der langsamere Baustein eine höhere Strombelastbarkeit, und dann (nach dem Kreuzungspunkt) schneidet der schnellere Baustein besser ab. Das zeigt die jedem IGBT inhärenten Einschränkungen auf. Ein System, das eine Strombelastbarkeit von 70 Aeff benötigt und mit einer Frequenz von 2 kHz arbeitet, lässt sich günstiger unter Verwendung des langsameren IGBTs aufbauen. Und umgekehrt wird in einem System, das eine Strombelastbarkeit von 50 Aeff benötigt und mit einer Frequenz von 8 kHz arbeitet, besser der schnellere IGBT eingesetzt.

Den besten Wirkungsgrad erreichen

Die Bestimmung des Wechselrichter-Wirkungsgrads läuft auf eine Berechnung der Verluste bei einem vorgegebenen Stromverbrauch hinaus. Aufgrund der Schaltkomponente des Verlusts wird der Wirkungsgrad von der Betriebsfrequenz abhängen. Das Diagramm in Bild 2 stellt die IGBT-Verluste dem Effektivwert des Ausgangsstroms dieser IGBTs in einem Wechselrichtersystem bei 4 und bei 8 kHz gegenüber. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems ist jedoch applikationsabhängig und steht mit dem typischen Lastzyklus des Wechselrichters im Zusammenhang.

Im Bild 2 ist außerdem zu erkennen, dass bei Betrieb mit einer Frequenz von 8 kHz, bei der die Schaltverluste einen größeren Anteil darstellen, der IGBT1 (der schnellere Baustein) wesentlich weniger Verluste aufweist (höherer Wirkungsgrad) als der IGBT2. Der Punkt, der sich in diesem Diagramm weniger intuitiv erschließt, liegt darin, dass der schnellere Baustein selbst bei einem Betrieb mit 4 kHz immer noch weniger Verluste bei reduzierten Strompegeln bietet. Das lässt sich durch die Tatsache erklären, dass Leitungsverluste eine stärkere Abhängigkeit vom Strom aufweisen als Schaltverluste. Ein Modell erster Ordnung der Leitungsverluste ist proportional dem Quadrat des Stroms, während Schaltverluste dem Strom direkt proportional sind.

Weiter ist, wenn man eine höhere Effektivstromabgabe und einen höheren Wirkungsgrad erzielen will, der Einsatz von SFM-(Solderable Front Metal-)-IGBTs sowie von IGBTs mit geringerer Kurzschlusszeit (TSC) in Erwägung zu ziehen.

Mit SFM-IGBTs sind lötbare Emitterverbindungen und folglich eine reduzierte Impedanz der Verbindung möglich. Durch den Einsatz fortschrittlicher Kühlmethoden lässt sich die IGBT-Sperrschichttemperatur senken. Verringerte Sperrschichttemperaturen reduzieren den VCEon und die ETS der IGBTs und verbessern auf diese Weise die Effizienz des Wechselrichters.

Die Anpassung der Kompromisslösung

Eine Verkürzung der Anforderungen an die Kurzfestigkeit von 10 µs auf ungefähr 6 µs kann sowohl die Effektivstromabgabe als auch den Wirkungsgrad in Wechselrichtersystemen verbessern. Eine reduzierte TSC wird erreicht, indem man die Verstärkung des IGBT erhöht, was wiederum zu einer geringeren VCEon und Schaltenergie ETS in der Anwendung führt. Eine Verringerung von VCEon und ETS steigert die Systemleistung. Die modernen Antriebs- und Schutzschaltungen zeichnen sich durch intelligentere Rauschfiltereigenschaften aus. Zudem haben sie schnellere Ansprechzeiten als ihre Vorgänger und sind deshalb in der Lage, die IGBTs innerhalb von 6 µs zu schützen. Deshalb steigert eine Verringerung der TSC-Anforderungen den Effektivstrom am Ausgang sowie den Wirkungsgrad des Wechselrichters.

Eine Anpassung des Kompromisses zwischen VCEon und ETS unter den Bedingungen der Anwendung ist ausschlaggebend dafür, den benötigten effektiven Ausgangsstrom sowie den höchsten Wirkungsgrad eines Motorantriebssystems zu erreichen. Weitere Details sind in der Applications Note AN-983 IGBT Characteristics und Applications Note AN-990 Application Characterization of IGBTs von International Rectifier enthalten.

*Vijay Bolloju, Jun Yang, Elk Kabaker arbeiten in der Abteilung IGBT Applications Engineering bei International Rectifier, El Segundo/USA.

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