Die 4. IGBT-Generation Robuste IGBT-Chips lassen sich noch leichter ansteuern als bisher

Die neue IGBT-Generation kombiniert IGBT 4 Chips in Trench-Technologie mit der planaren Chiptechnologie SPT+ (Soft Punch Trough). Beide IGBT-Varianten reduzieren die dynamischen Verluste und durch die geringere Steilheit werden weniger Überspannungen und EMV-Störungen erzeugt. Die Chips sind robuster und einfacher anzusteuern. Damit lassen sich die Chipeigenschaften besser ausnutzen und der Filteraufwand sinkt.

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Frequenzumrichter werden kompakter und damit erhöht sich die Leistungsdichte. Die Auswahl der richtigen IGBT-Technologie und die Abstimmung auf Kühlsystem und Schaltfrequenz sind grundlegende Voraussetzungen, um dieses Design-Ziel zu erreichen. Bei näherer Betrachtung der Anforderungen ist zu erkennen, dass die Schaltverluste die dominierende Größe bei IGBTs sind. Ein EMV-gerechter Entwurf und das Treiben langer Kabelstrecken erfordern heute oftmals zusätzlichen Aufwand mit Snubber-Kondensatoren und Filtern. Ursache sind die schnell schaltenden IGBTs der dritten Generation.

Die vierte IGBT-Generation erfüllt nun alle aktuellen Anforderungen moderner Frequenzumrichter mit verbesserter Sanftheit, geringeren Verlusten und einer erhöhten Robustheit. 1200-V-IGBT-Module sind zur Zeit die am häufigsten eingesetzten Schalter in modernen industriellen leistungselektronischen Anlagen. Sie kommen in vielen Frequenzumrichtern in elektrischen Antrieben, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und elektronischen Schweißanlagen zum Einsatz.

Ein wichtiger Trend bei der Entwicklung von Frequenzumrichtern ist die Reduktion der Baugröße, um in immer kompakteren Anlagen und Schaltschränke zu passen. Das erfordert eine höhere Leistungsdichte. Weil sich die Kühlung der Leistungselektronik zu akzeptablen Kosten nicht beliebig verbessern lässt, muss man die Gesamtverluste reduzieren. Neben einem kompakten Design werden zudem Störeinstrahlungsfestigkeit und Störaussendung immer wichtiger.

Auch die Lage der Anschlüsse für eine geringe Streuinduktivität spielt eine entscheidende Rolle. Um die Systemgesamtverluste zu reduzieren sind die beiden IGBT-Parameter Schaltverluste und statische Verluste essentiell. Denn die Schaltverluste dominieren bei schnell schaltenden Anwendungen.

Die SPT+-Technologie – seit Jahren erfolgreich im Einsatz

Die Soft-Punch-Through-Technologie (SPT) basiert auf einer planaren Gate-Struktur. Der SPT-Chip bietet im Vergleich zu anderen IGBT-Technologien einige besondere Vorteile – geringere Schaltverluste, große Chipfläche, positiver Temperaturkoeffizient und einfache Herstellprozesse.

2005 wurde die SPT+-Variante vorgestellt. Diese ermöglicht eine Verkleinerung der Chipfläche bei einer verbesserten elektrischen Leistung. Ein weicheres Schaltverhalten unter Beibehaltung der hohen Ausschaltrobustheit ist mit geringeren statischen Verlusten kombiniert.

Trench-Fieldstop-Technologie im IGBT 4-Chip reduziert Verlustleistung

Die Trench-Fieldstop-Technologie führt zu geringen statischen Verlusten und einer erheblichen Verkleinerung der Chipfläche. Die IGBT-3-Technologie war optimiert für geringe VCEsat-Werte. Durch den Trend bei Frequenzumrichtern zu höheren Schaltfrequenzen lag der Fokus der IGBT-4-Entwicklung auf der Reduktion der Schaltverluste, um die dynamischen Anforderungen für Schaltfrequenzen oberhalb von 6 kHz zu erfüllen. Dies wurde durch eine Optimierung der Vertikalstruktur erreicht.

Vergleich von Planar- und Trench-IGBT-Technologien

Ein detaillierter Vergleich beider neuen Chiptechnologien gegenüber der dritten IGBT-Generation ist unter gleichen Meßbedingungen durchgeführt worden. Der SPT+-Chip wurde für ein besseres Preis-Leistungsverhältnis optimiert und die Stromdichte um 15% von 85 A/cm² auf 96 A/cm² erhöht. Obwohl die Baugröße des SPT+-Chips verkleinert wurde, sind der VCEsat-Wert kleiner und die Schaltverluste identisch.

Die Größe des IGBT-4-Chips ist ebenfalls für ein besseres Preis-Leistungsverhältnis optimiert. Je nach Strom-Rating ist im Vergleich zum IGBT-3 der Chip um 10 bis 20% kleiner worden. Die Stromdichte beträgt jetzt 125 A/cm². Die Ausschaltverluste sind um 30% gesenkt. Alle IGBT-4-Chips haben eine maximale Sperrschichttemperatur von 175°C. Das ermöglicht ein um 25% höheres nominelles Strom-Rating. Allerdings muss beachtet werden, dass bei gleicher Aufbau- und Verbindungstechnik die Lebensdauer eines Moduls durch höhere Temperaturzyklen geringer ist. Der IGBT-Vergleich in Tabelle 1 basiert auf gleichen Chip-Ratings bezogen auf 150°C. Die Tabelle mit Messwerten zeigt, dass statische und dynamische Verluste beider neuer Chipgenerationen im gleichen Bereich liegen.

Die vierte IGBT-Generation hat ein besseres Schaltverhalten

Die Einführung der dritten IGBT-Generation im Jahr 2002 bedeutete für viele Anwendungen einen erhöhten Aufwand und damit höhere Kosten, um das relativ schnelle Schalten der IGBTs zu beherrschen. Die hohen di/dt-Werte verursachten Überspannungen und EMV-Probleme. Die neuen IGBTs haben ein softeres Schaltverhalten, um die Nachteile der dritten Generation zu verbessern. Die di/dt-Werte bei Einsatz des gleichen Gate-Widerstandes sind 20 bis 25% geringer als bei der Vorgängergeneration.

Während des Ausschaltens eines IGBTs wird die durch die Induktivität des Zwischenkreises induzierte Überspannung zur Zwischenkreisspannung addiert, sodass die maximale IGBT-Sperrspannung überschritten werden kann. Die maximale IGBT Sperrspannung ist auf Chipebene spezifiziert. Der Anwender hat aber nur Zugriff auf die Modulanschlüsse und muss deshalb die Überspannung am Chip abschätzen. Bei typischen Modulinduktivitäten und Stromsteilheiten beträgt die Spannungsdifferenz zwischen Chip und Modulanschlüssen 50 bis 100 V. Bild 1 zeigt das Schaltverhalten des IGBT-4 bei hoher Zwischenkreisspannung (900 V). Durch die geringere Steilheit sind die Überspannungen beherrschbar. Die Leistungsmodule mit dem IGBT4-Chip und SPT+ werden 2007 in den Markt eingeführt und bieten damit für den Anwender neue Kostenoptimierungsmöglichkeiten durch ein vereinfachtes Umrichterdesign.

Im Fokus: die Leistung und das Design eines Frequenzumrichters

Bild 2 zeigt ein Beispiel eines 3-Phasen-Umrichters mit sinusförmigem Strom. Der maximal mögliche Ausgangsstrom IRMS pro Phase für ein SEMiX-Modul, bestückt mit unterschiedlichen IGBT-Chips aber gleichen nominalen Strom-Ratings, wurden berechnet. Die Kühlbedingungen, Spannungen, cos φ sind für alle IGBTs identisch.

Es ist erkennbar, dass die SPT+-Variante eine bessere Leitung als der SPT für Schaltfrequenzen unter 6kHz zeigt. Ursache hierfür sind die reduzierten statischen Verluste. Der Trench-IGBT-Vergleich illustriert den Unterschied in den Schaltverlusten zwischen IGBT 3 und IGBT4. Der neue IGBT4 verringert die Leistungslücke zum SPT, hat aber immer noch den Nachteil des höheren thermischen Widerstandes.

Bei Schaltfrequenzen oberhalb 12 kHz ist in der Simulation der thermische Widerstand zwischen dem Kühler und der Umgebung der limitierende Faktor. Neben den elektrischen und thermischen Eigenschaften des IGBTs ist auch das mechanische Design des Umrichters wichtig für dessen Gesamtleistung. Ein niederinduktiver Zwischenkreis und symmetrische Stromaufteilung zwischen parallel geschalteten Modulen sind entscheidend.

Die neuen IGBT-Technologien in Verbindung mit den innovativen SEMiX-Modulen ermöglichen Entwicklern ein sehr kompaktes Plattformdesign bei minimalem Aufwand.

Bild 3 zeigt ein Beispiel eines flachen Umrichtereinschubs für Schaltschränke. Die sehr kurze Zwischenkreisverschienung und die Anordnung aller Module auf einer Ebene zusammen mit den besonderen Eigenschaften der neuesten IGBT-Chipgeneration ermöglicht es, neue Wege beim Umrichterdesign zu gehen. Damit lassen sich die Abmaße weiter verringern, der Kühlaufwand und die Verluste reduzieren. Letztendlich ist damit das Hauptziel, nämlich eine Verringerung der Systemkosten, möglich.

*Thomas Grasshoff ist Leiter Produktmanagement bei SEMIKRON International, Nürnberg.

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