Drei Alternativen für geringe Strom- und Leistungsverluste

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Schaltcharakteristik und Abschaltverhalten

Bild 2 zeigt ein typisches IGBT-Abschaltverhalten des Ultrafast-FS-Trench-IGBTs mit der Bezeichnung IRG7PSH50UD (1200 V, 50 A) bei einer Sperrschichttemperatur von 150 °C.

Die Übergänge von Strom und Spannung beim Abschalten bestimmen die Schaltverluste. Deshalb liegt die Zielsetzung darin, die Abfallzeit und den Tail Current so weit wie möglich zu minimieren. FS-Trench-IGBTs sind infolge der Charakteristika der Field-Stop- und der Thin-Wafer-Technologie durch gut abgestimmte Leit- und Schaltverluste bei 20 kHz gekennzeichnet.

Eine weitere wichtige Überlegung ist ein Überschwingen der Spannung beim Abschalten. In Bild 2 ist eine Busspannung von 600 V_dc dargestellt. Die Überschwingspannung über dem IGBT liegt leicht über 700 V; dieser Wert ist wesentlich niedriger als die Spannungsfestigkeit des Bausteins. Die Eigenschaften des FS-Trench-IGBTs sorgen für eine niedrige Stromänderungsrate (di/dt), was sich als ein geringeres Überschwingen der Spannung auswirkt. Außerdem trägt das geringe Einschwingen der Spannung zur Senkung der elektromagnetischen Störungen (EMI) des Gesamtsystems bei.

Die Co-pack-IGBTs vom Typ U integrieren 1200-V-Fast-Recovery-Dioden mit geringer Sperrverzögerungsladung Q_rr. Fast-Recovery-Dioden sind besonders zur Verringerung der Übergangsverluste beim Einschalten des IGBTs von Bedeutung. Der Einschaltstrom des Leistungbausteins ist gleich dem Laststrom und dem Reverse-Recovery-Strom der Diode im gleichen Gehäuse (im komplementären Schenkel des Wechselrichters). Je kürzer der Einschalt-Übergang, desto geringer wird der Einschaltverlust des IGBT sein.

Bild 3 zeigt den Einschaltübergang von einem Leistungshalbleiter IRG7PSH50UD bei 600 V_dc, 50 A sowie einer Sperrschichttemperatur von 150 °C. Man geht zwischen einem niedrigen Q_rr der Diode und dem Spannungsabfall (V_f) einen Kompromiss ein, wobei jedoch einem niedrigeren Q_rr nach wie vor Vorrang gegeben wird. Die meisten Hochfrequenz-Wechselrichter brauchen die Co-Pack-Diode, damit sie während des Freilaufzeitraums, wenn der IGBT abgeschaltet wird, denselben Spitzenstrom wie der IGBT aushalten. Allerdings ist der Arbeitstakt normalerweise entgegengesetzt zu dem des IGBT.

In Bild 4 ist die typische Erholungswellenform der Co-pack-Diode eines IRG7PSH50UD bei 600 V, 50 A und einer Tjunction=150 °C dargestellt. Der Erholungsstrom der schnellen Diode fällt auf Null und wechselt nach ungefähr 100 ns zum IGBT über.

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