Hochvolt-IGBT-Module Robuste IGBT-Module für große elektrische Antriebe

Für Anwendungen wie elektrische Antriebe in der Industrie sind Hochvolt-IGBT-Module gut geeignet. Mit ihren niedrigen Verlusten und der hohen Robustheit bieten sie sich auch für die Bahntechnik an.

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Mitsubishi Electric Europe B.V. Semiconductor - European Business Group

Derartige Anwendungen benötigen höhere Nennströme und einen breiteren Sperrschichttemperaturbereich als gewöhnliche Einsätze. Deshalb muss in solchen Applikationen die Parallelschaltung von IGBT-Modulen leicht möglich sein. Um dabei elektromagnetische Interferenzen gering zu halten, ist zudem eine gute Steuerung des Schaltverhaltens notwendig. Damit diesen Anforderungen entsprochen werden kann, verwendet Mitsubishi in der R-Serie die Fine-Planar-MOSgate-Light-Punch-Through-HVIGBT sowie SR-HVDi-Strukturen (Soft reverse Recovery HV-Diode). Diese senken die Gesamtverluste und erhöhen den Nennstrom. Die mechanische Kompatibilität zur H-Serie wird beibehalten.

Für hohe Zuverlässigkeit und Ausgangsleistung

Die R-Serie wird in einem Gehäuse mit spezifizierter Isolationsspannung V_iso= 10,2 kV hergestellt, welches in einem weiten Betriebstemperaturbereich von -50 bis zu 150 °C eingesetzt werden kann. Die HV-IGBT R-Serie ist entwickelt worden, um Anforderungen von Anwendungen gerecht zu werden, bei denen eine hohe Zuverlässigkeit z.B. in kalten Breitengraden gefordert ist, und um die Ausgangsleistung des Inverters zu erhöhen, ohne dessen Volumen zu vergrößern.

Die HV-IGBT-Module für Spannungen von 4,5 kV und 6,5 kV sorgen mit ihrer LPT-Chip-Struktur für eine geringe Verlustleistung sowie für ein breites RBSOA (Reverse Bias Safe Operating Area). Mit einer Blockierspannung von bis zu 6,5 kV gehören diese HV-IGBT der R-Serie zu den leistungsstärksten Modulen, die es derzeit auf dem Markt gibt. Die Chip-Technologie der R-Serie bietet unter anderem folgende Vorteile: geringere Verluste sowie Steuerbarkeit von di/dt und du/dt (IGBT-Chip), verringerter Reverse-Recovery-Strom Irr (Dioden-Chip) , höhere SOA-Robustheit (SOA: Safe Operating Area, sicherer Betriebsbereich), positiver Temperaturkoeffizient (PTC), um ein leichtes Parallelschalten zu ermöglichen.

Die Stromdichte des IGBT-Chips beträgt nur 94% der Stromdichte eines konventionellen IGBT, während die des Dioden- Chips unverändert bleibt. Bei Nennstrom und 125 °C Betriebstemperatur arbeitet der neue IGBT mit einer 30% geringeren Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung U_CE(sat) als konventionelle IGBTs. Zusätzlich wird der Spitzen-Kollektorstrom (das bedeutet Irr der Diode) um 20% gesenkt, sodass folglich die Einschaltenergie E_on des IGBTs um 10% vermindert wird. So verbessert der IGBT das Trade-off zwischen U_CE(sat) und E_off um 25%, ohne dabei Zugeständnisse in punkto Robustheit zu machen. Mit Hilfe der neuentwickelten Diode verbessert sich E_on durch die Verringerung von I_rr, während das Soft-Reverse-Recovery-Verhalten die robusten Eigenschaften konventioneller Diodendesigns aufrecht erhält.

Weiterhin ist die maximale Betriebstemperatur von 125 auf 150 °C erweitert und die minimale Lagerungstemperatur von -40 °C auf -55 °C ausgedehnt worden. Trotz der Erhöhung der Betriebstemperatur erreichen die Module die gleiche Lebensdauer wie die herkömmlichen Module der H-Serie bei gleichen Temperaturschwankungen in der Modulbodenplatte.

Die angewandte Wire-Bond-Technologie verbessert im Vergleich zu herkömmlichen 4,5- und 6,5-kV-HVIGBT-Modulen zudem die Lastwechselfähigkeit. // KU

* * Prasad Bhalerao ...ist Produktmarketingspezialist für Hochvolt-IGBT-Module in der Semiconductor European Business Group von Mitsubishi Electric, Ratingen.

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