IGBTs Drei Alternativen für geringe Strom- und Leistungsverluste

Die hier skizzierten ultra-schnellen 1200-V-IGBTs sind auf höheren Systemwirkungsgrad in USV, elektrischen Antrieben und Systemen für alternative Energien getrimmt.

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Leistungshalbleiter sind Schlüsselbauelemente beispielsweise in Stromversorgungen und modernen Umrichterkonzepten mit deutlich geringerer Leistungsaufnahme. Getrieben durch steigende Energiekosten, die Forderung nach der Reduzierung des CO₂-Ausstoßes und die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe werden signifikante Energieeinsparungen erforderlich und realisierbar. Für Umrichter, wie sie in wichtigen Anwendungen wie Antriebsregelung und Gewinnung alternativer Energien vorkommen, gibt es einen zunehmenden Bedarf für ein abgestimmtes System aus Ansteuerung durch einen intelligenten Treiber und dem Leistungsschalter.

Eine neue Familie ultra-schneller 1200-V-IGBTs wurde für Applikationen mit höheren Frequenzen sowie für die Motorregelung optimiert. Sie vereinen einen hervorragenden Kompromis der Schaltverluste und der Leitungsverluste mit einem weichen Abschaltverhalten. Dieser Beitrag behandelt verschiedenartige Klassifizierungen, beispielsweise U wie Ultrafast ohne Kurzschlussfestigkeit, K10 mit einer Kurzschlussfestigkeit bis 10 µs sowie SFM für lötbares Front Metal – bei diesen Ausführungen sind keine Bonddrähte für die Montage erforderlich.

Thin-Wafer- und Field-Stop-Trench-Technologie

Mithilfe der Field-Stop-Thin-Wafer-Technologie vermögen IGBTs nunmehr typische Spannungsabfälle (V_ceon) bis 1,7 V sowie Abfallzeiten von weniger als 100 ns bei Nennstromwerten zu erreichen. Darüber hinaus ermöglicht es ein positiver V_ceon-Temperaturkoeffizient, dass sich diese Bausteine besonders gut für eine Parallelschaltung eignen.

Bei Implementierung des Thin-Wafer-Prozesses (deren Dicke im Bereich der Dicke eines menschlichen Haars liegt) ergibt sich sowohl eine große Verringerung des Wärmewiderstands von Gehäuse zu Sperrschicht (R_th(j-c)) als auch ein verbessertes Wärme-Einschwingverhalten beim Auftreten von Transienten.

IRs Angebot an 1200-V-FS-Trench-IGBTs der siebten Generation ist wie schon erwähnt in die drei Kategorien unterteilt: K10 für eine Kurzschlussfestigkeit von 10 µs, U für Ultrafast ohne Kurzschlussfestigkeit sowie SFM für lötbares Front Metal.

Durch SFM-IGBTs werden Bonddrähte überflüssig. Sie treten an die Stelle von Kupferstreifen und gewährleisten eine erhöhte Strombelastbarkeit, einen geringeren Spannungsabfall sowie eine gesteigerte Zuverlässigkeit. Ähnlich wie IRs DirectFET ermöglicht diese Technologie eine doppelseitige Kühlung, sodass die erzeugte Wärme sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite des IGBT abgestrahlt werden kann.

Bei der Auswahl eines IGBT muss der Entwickler entscheiden, ob der gewünschte Baustein eine Kurzschlussfestigkeit benötigt. Falls diese nicht notwendig ist, dann ist die Reduzierung des V_ce(on) von Vorteil.

Bei gleichem Nennstrom wird der IGBT vom Typ U (nicht kurzschlussfest) zu einem um 300 mV geringeren Spannungsabfall führen als vergleichsweise der Typ K10 (kurzschlussfest). Bild 1 zeigt einen Vergleich der Strom- und V_ceon-Werte zwischen den IGBT-Ausführungen U und K10.

Die Ausführung U wird im allgemeinen dann gewählt, wenn der IGBT nicht direkt kurzschließt, weil ausgangsseitig ein induktives Element vorhanden ist. Für die meisten Anwendungen in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Systemen für alternative Energien und Schweißgeräte werden diese IGBT-Arten benötigt.

Beim Einsatz in Motorantrieben können die Wicklungen des Motors gegen das Gehäuse oder gegen Masse beziehungsweise eine andere Phasenwicklung kurzschließen. In einer derartigen Situation muss der IBGT robust genug sein, diesen Leistungsstoß über einen eingeschränkten Zeitraum auszuhalten, ehe der Controller Zeit findet, zu reagieren und das System abzuschalten. Aus diesem Grund braucht man in diesem Fall K10-IGBTs. Diese Leistungshalbleiter widerstehen garantiert 10 µs bei T_j=150 °C mit 600 V über den Baustein. Diese Zeitspanne ist ausreichend groß, damit ein Controller den Fehler erkennen und entsprechend darauf reagieren kann.

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