Tod durch Fehlinterpretation: Was Datenblätter aussagen

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Infineon Technologies AG

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Am Beispiel des IGBT-Moduls FP100R06KE3 erklärt der Autor spezifische Datenblattangaben. In seinen Betrachtungen unterscheidet er zwischen hinreichender und notwendiger Auslegung.

Das technische Datenblatt eines Produktes gibt keine generellen Hinweise zum Einsatz, sondern ist lediglich eine Sammlung von Produkteigenschaften. Nur die Applikationsschrift gibt konkrete Einsatzempfehlungen zum sicheren und bestimmungsgemäßen Dauerbetrieb. Ein Halbleiter mit 100 A Nennstromangabe im Datenblatt kann auch mit einem geringeren Strombetrag überfordert sein. Das gilt ebenso für die im Datenblatt angegebene Sperrspannung von beispielsweise 600 V. Der Leistungshalbleiter kann bei seinem Betrieb mit einer erheblich geringeren Zwischenkreisspannung als 600 V zerstört werden. Trotzdem sind beide Datenblattangaben korrekt. Warum? Es sind notwendiger Weise die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen, unter denen Datenblattangaben gültig sind.

Den Überspannungstod sicher vermeiden

Das Datenblatt eines Leistungshalbleiters enthält eine Angabe zur Spannung, die das Bauteil sperren kann. Diese als V_CES bezeichnete Sperrspannung wird oft auch als die Spannungsklasse des Halbleiters bezeichnet. Es ist zu beachten, dass es sich bei dem Parameter um einen Maximalwert handelt, der auf keinen Fall überschritten werden darf. Bild 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Datenblatt des IGBT-Moduls FP100R06KE3.

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Die zwischen Kollektor und Emitter maximal erlaubte Sperrspannung V_CES beträgt in unserem Beispiel 600 V. Dieser Wert ist nicht mit der Zwischenkreisspannung gleichzusetzen, an der der Halbleiter betrieben wird. Die Zwischenkreisspannung ist nämlich die aus dem versorgenden Netz gewonnene Gleichspannung, der ein Halbleiter im Betrieb standhalten muss. Sie muss auf jeden Fall unterhalb der Sperrspannung bleiben.

Aus der Gleichrichtung eines dreiphasigen Netzes mit 400 V Nennspannung ergibt sich rechnerisch eine geglättete Gleichspannung von 565 V. Das Einschalten des für 600 V ausgelegten Halbleiters bei dieser Spannung ist unbedenklich. Die Spannung zwischen Kollektor und Emitter sinkt auf die am Bauteil verbleibende Sättigungsspannung V_{CE sat}, die ebenfalls im Datenblatt angegeben ist. Eine übliche Darstellung zeigt Bild 2.

Gemäß der am Halbleiter angeschlossenen Last stellt sich nun ein Strom ein, dessen Abschaltung höchst wahrscheinlich die Grenze der Zulässigkeit sprengen wird – und vermutlich damit auch das Bauelement. Denn die im DC-Strompfad enthaltene Streuinduktivität Lσ erzeugt wegen der Stromänderung di/dt eine Überspannung ΔU=Lσ∙di/dt, die zur Spannung des Zwischenkreises in Reihe liegt. Da die Stromanstieggeschwindigkeit di/dt schon für Silizium-IGBT in der Größenordnung mehrerer kA/µs liegt, erzeugt jedes Nanohenry Streuinduktivität eine Spannungserhöhung von einigen Volt.

Gleichspannungszwischenkreise weisen meist eine Streuinduktivität von mehr als 50 nH auf, womit eine Spannungsüberhöhung von mehreren hundert Volt einhergehen kann. Die daraus resultierende, wenn auch nur kurzfristige Überschreitung der für das Bauelement geltenden Sperrspannung führt zu seiner Zerstörung. In Bild 3 (siehe oben) ist das Abschalten eines Stromes mittels 1200-V-IGBT an einer DC-Spannung von 600 V dargestellt.

Die Überspannungsspitze ΔU beträgt im Beispiel etwa 160 V; die am Transistor anliegende Spannung steigt auf einen Maximalwert von 760 V. Unter diesen Bedingungen wird ein Bauteil der 600-V-Klasse zerstört.

Der Halbleiter überhitzt auch bei kleinem Strom

Auch der dem Halbleiter zugeordnete Strom gilt unter genau definierten Bedingungen, wie der Datenblattauszug in Bild 4 darstellt. Eine sinnvolle Stromangabe entsteht nur, wenn die thermischen Bedingungen bekannt sind, unter denen dieser Strom fließen kann. Stromfluss in Halbleitern führt immer zu Verlustleistung und in der Folge zur Erwärmung. Daher gehören zu einer belastbaren Aussage zum Strom auch Informationen zu den thermischen Gegebenheiten. Für das Beispiel heißt das, dass der Halbleiter einen DC-Strom von 100 A führen kann, wenn seine Bodenplatte eine Temperatur von nicht mehr als T_c=80 °C aufweist und die Sperrschicht am Chip die Temperatur T_vjmax=175 °C erreicht.

Mathematisch sind die Verhältnisse über die maximal zulässige Temperatur, die Verlustleistung P_v und den thermischen Übergangswiderstand R_thjc verknüpft. Es gilt T_vj=T_c+P_v•R_thjc. Die Gleichung beschreibt die Situation allerdings nur bis an die Gehäusegrenze – also bis an die Bodenplatte des Moduls. Um hier die geforderte Temperatur T_c zu erreichen ist ein Kühlkörper notwendig, der den Wärmefluss gegen die Umgebung abführen kann. Zur Dimensionierung ist sein thermischer Widerstand R_thHA dienlich. Fällt dieser zu groß aus, überhitzt der Halbleiter gegebenenfalls auch bei Strömen, die erheblich unter seinem Bemessungsstrom liegen.

Die Schlussfolgerung, dass der 100-A-Halbleiter einen AC-Strom mit einem RMS-Wert von 100 A ebenfalls führen könnte, ist allerdings nicht unbedingt korrekt. Ein Dauergleichstrom fließt kontinuierlich, der Halbleiter führt also keinen Schaltvorgang aus. Die entstehende Verlustleistung am IGBT ergibt sich nur aus dem Produkt von Vorwärtsspannung und fließendem Kollektorstrom P_v=V_CEsat•I_C. Durch das Schalten entstehen Schaltverluste, die zum thermischen Budget beitragen. Je größer der Anteil der Schaltverluste, umso geringer wird der für den Stromtransport verbleibende Anteil.

Keine Reibung, aber trotzdem Wärme

Verlustleistung tritt immer dann auf, wenn der Betrag von Strom und Spannung an einem Bauelement gleichzeitig größer sind als null. Während des Schaltvorganges an einem Halbleiter ändern sich sowohl der Strom als auch die Spannung; beides mit hoher aber endlicher Geschwindigkeit. Das Ergebnis ist eine kurze Zeitspanne, in der das Produkt aus Spannung am Bauelement und Strom im Bauelement eine nicht mehr vernachlässigbare Größe darstellt. Da diese Verlustleistung durch aktive Handlung entsteht, findet sich hierfür häufig auch der Begriff der dynamischen Verluste.

Datenblätter zu Halbleitern, wie in Bild 5, machen zu Ein- und Abschaltenergie eine Angabe in Wattsekunden (Ws) – oder Joule (J). Die Werte ergeben sich aus dem mathematischen Zusammenhang E=ʃi(t)•u(t)dt. Um den Integrationsbereich auf die Zeitspanne der Schalthandlung zu reduzieren sind Integrationsgrenzen anzusetzen, die in der IEC60747-8 und -9 vorgegeben sind.

Ein Blick in Bild 6 zeigt, in welchen Abschnitten des Abschaltvorganges die Ausschaltverluste Eoff entstehen. Auf analoge Weise entstehen die Verluste E_on beim Einschalten. Multipliziert mit der Schaltfrequenz f_sw ergeben sich aus der Summe der Schaltenergien die Schaltverluste – auch dynamische Verluste genannt – in W.

Die vielfältigen Einflussfaktoren finden sich ebenfalls im Datenblatt wieder. Die anliegende Spannung geht, wie auch der geschaltete Strom, in weiten Bereichen linear in die Schaltverluste ein. Beim Einschaltvorgang bestimmt die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt die Dauer der Schalthandlung, beim Abschaltvorgang ist es die Spannungsänderungsgeschwindigkeit du/dt. Auf beide Größen haben Gate-Spannung und Gate-Widerstand einen maßgeblichen Einfluss.

Hat der Entwickler die Freiheit eine alternative Technologie zu wählen, können mit MOSFETs erheblich schnellere Schalter zum Einsatz kommen, was die Schaltverluste deutlich reduziert. Das Halbleitermodul vom Typ FF11MR12W1M1 verfügt über MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC). Mit 100 A Nennstrom besteht es aus zum 100-A-IGBT vergleichbaren Schaltern bezüglich der Stromtragfähigkeit.

In dem zugehörigen Datenblattauszug in Bild 7 finden sich die Schaltenergien und die Bedingungen, unter denen sie gemessen wurden. Die Schaltgeschwindigkeit bezogen auf den Strom steigt von 1, 3 kA/µs auf 5, 2 kA/µs. Noch höher fällt die Steigerung der Schaltgeschwindigkeit bezüglich der Spannung aus. Mit 23 kV/µs ist der MOSFET um den Faktor 10 schneller als der IGBT. Beides führt zu den gegenüber dem IGBT deutlich verringerten Schaltverlusten.

Je schneller allerdings die Schalter werden, desto höher sind die Anforderungen an einen niederinduktiven Aufbau. Mit steigender Schaltgeschwindigkeit steigt auch die Überspannung am Bauelement, die auf ein sicheres Maß zu begrenzen ist. Gemäß des Induktionsgesetzes U=Lσ•di/dt muss daher die Streuinduktivität Lσ im gleichen Maß sinken, wie die Schaltgeschwindigkeit di/dt steigt. Anders ausgedrückt, muss für eine erlaubte Überspannung bei Wechsel der Technologie das Produkt Lσ•di/dt konstant bleiben.

Eine vollständige thermische Betrachtung muss neben den aktiven Schaltern auch die Freilaufdioden berücksichtigen. Genau wie beim aktiven Schalter entstehen Leit- oder Vorwärtsverluste wegen der am Halbleiter verbleibenden Vorwärts- oder Durchlassspannung V_f. Der Datenblattauszug in Bild 8 gibt Aufschluss über diese Größe.

Auch wenn die Diode nicht aktiv geschaltet wird führt sie einen Schaltvorgang durch. Beim Einschalten entstehen dabei keine Verluste. Beim Ausschalten hingegen entstehen die sogenannten Recovery-Verluste E_rec. Diese sind im Datenblatt ebenfalls aufgeführt, beispielhaft dargestellt in Bild 9.

Je nach Betriebspunkt überwiegen die Verluste der aktiven Schalter oder die der Dioden. Der Entwickler ist aufgefordert sicherzustellen, in allen Betriebspunkten die vorgegebenen Grenzwerte einzuhalten.

Der Wärme die richtige Abfuhr erteilen

Um die thermische Überlastung zu verhindern, ist es notwendig, die im Halbleiter entstehende Wärmemenge gegen ein geeignetes Medium abzuführen. Der Weg, entlang dessen die Wärme vom Chip hin zu diesem Medium fließt, wird durch den thermischen Widerstand charakterisiert. Auch hierzu macht das Datenblatt Angaben, die sich in Bild 10 wiederfinden.

Im Beispiel ergibt sich vom Chip zur Bodenplatte und von dort zum Kühlkörper ein thermischer Widerstand von R_th1=R_thJC+R_thCH=1,05 K/W. Voraussetzung dafür ist, dass eine hinreichend geeignete thermische Verbindung besteht. Der thermische Widerstand bis hin zum Wärme abführenden Medium muss den Kühlkörper berücksichtigen. Dieser fügt den Widerstand vom Kühlkörper zur Umgebung R_thHA bei. Die Wahl des Kühlkörpers liegt aber in den Händen des Systementwicklers, weshalb hierzu im Datenblatt der Halbleiterherstellers keine Angaben zu finden sind. Die gesamte Kette thermischer Widerstände vom Chip als Quelle bis zum Kühlmedium als Senke ist die Summe der Widerstände R_th=R_thJC+R_thCH+R_thHA.

Für jeden Chip ist eine maximale Temperatur erlaubt. Aus dem linearen Zusammenhang zwischen Temperatur, Verlustleistung und Wärmewiderstand T_vj=T_amb+P_v•R_th lässt sich somit die thermische Auslegung starten. Ziel einer Optimierung kann sein, bei einem definierten Strom eine gewünschte Chip-Temperatur nicht zu überschreiten und einen dafür notwendigen Kühlkörper zu dimensionieren. Das Vorgehen könnte auch sein, einen kleinstmöglichen Kühlkörper zu wählen und die damit maximal erreichbare Verlustleistung und den zugehörigen Ausgangsstrom zu bestimmen.

In der Mehrzahl der industriellen Applikationen erfolgt die Ableitung der Wärme über Kühlkörper mit großen Oberflächen an die umgebende Luft. Der Effekt wird durch den Einsatz von Ventilatoren verstärkt, man spricht von forcierter Kühlung. Hier sind die Kühlbedingungen von der Umgebungstemperatur abhängig. Eine thermische Auslegung wird dadurch erschwert, weil die Umgebungstemperatur in weiten Grenzen schwanken kann und häufig ein theoretisch zu erwartendes Maximum die limitierende Größe darstellt. In mobilen Applikationen oder bei höheren Anforderungen an das Kühlsystem kommt häufig Flüssigkühlung zum Einsatz. In diesem Fall kann für eine Abschätzung vereinfachend die Kühlkörpertemperatur als konstant gelten und der Temperatur des Kühlmediums entsprechen. Ein thermischer Extremfall durch äußere Einwirkung wie direkte Sonneneinstrahlung tritt hier nicht auf.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2020 (Download PDF)

Ist es nun hinreichend oder notwendig?

Die häufigsten Ursachen für die Beschädigung oder Zerstörung von Leistungshalbleitern sind Überschreitungen der Grenzwerte für Strom, Spannung und Temperatur. Die Einhaltung dieser Grenzwerte bedarf der Beachtung der Randbedingungen unter denen sie gelten. Für die blanke elektrische Funktion eines Aufbaus, zum Beispiel zu Testzwecken, ist die Einhaltung der Grenzwerte hinreichend. Es unbedingt notwendig, weitere, auch über die Einhaltung der Grenzwerte des Datenblatts hinausgehende Betrachtungen einfließen zu lassen, um ein auf Dauer zuverlässig arbeitendes, robustes Design zu erstellen.

* Martin Schulz ist Principal, Application Engineer bei Infineon Technologies, Warstein.

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