Warum das gute Zusammenspiel von IGBT und Diode wichtig ist

Anbieter zum Thema

Schulz-Electronic GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Bicker Elektronik GmbH

SEMIKRON International GmbH

Ergänzendes zum Thema

Die Bedeutung des SOA für den IGBT

Der IGBT ist im laufenden Betrieb hohen Spannungs-, Strom- und Temperaturbelastungen ausgesetzt. In den Datenblättern findet man definierte Bereiche angegeben, unter deren Betriebsbedingungen der IGBT sicher arbeitet. Dieser Bereich wird als Safe Operating Area (SOA) bezeichnet. Ein Verlassen dieses Bereiches führt in der Regel zur Zerstörung des Bauteils. In Vorwärtsrichtung unterscheidet man zwischen statischen, dynamischen und Ein-/Ausschalt-SOAs. Auch für den Kurzschluss wird ein eigener SOA definiert, der aus thermischen Gründen für z.B. nur 10 µs definiert ist. In Rückwärtsrichtung ist das statische Sperrverhalten moderner IGBTs nur sehr schwach ausgeprägt, hier interessiert vor allem das Verhalten bei kurzen Spannungspulsen, wie sie beispielsweise während des Kommutierungsvorganges auf die Diode auftreten.

Ergänzendes zum Thema

Was ist die Vorwärtserholzeit?

Der Begriff Vorwärtserholzeit wurde von dem englischen Terminus „recovery“ geprägt, was sinngemäß „wiederherstellen“ bedeutet. Gemeint ist damit (hier beim Vorwärtsbetrieb des IGBT) die Wiederherstellung eines Gleichgewichtszustandes aus äußerem elektrischen Feld und der inneren Feldstärke, die sich aus den Dotierungsprofilen und der Ladungsträgerverteilung ergibt. Leider ist der Begriff „Erholzeit“ technisch gesehen etwas unglücklich gewählt, stellt aber zumindest sprachlich gesehen die elegantere Variante dar.

Safe Operating Area – IGBTs auf dem Prüfstand

In den Tests werden nun Spannungspulse verschiedener Höhe und Dauer an einen in Rückwärtsrichtung gepolten IGBT angelegt. Weiterhin findet eine Variation der Chiptemperatur mittels einer heizbaren Grundplatte statt. Bei den Pulsdauern fällt die Wahl auf 20 ms, 1 ms und 10 µs. Die beiden erstgenannten Pulsdauern erscheinen hinsichtlich des zeitlichen Bedarfs der Vorwärtserholung unverhältnismäßig lang, doch sollen sie die erforderliche Zeit veranschaulichen, die zum Aufbau des Plasmas in der n^--Zone des IGBTs benötigt wird. Denn eine bessere Rückspannungsfestigkeit für kurze Pulse erklärt sich dadurch, dass die annähernd gleiche Anzahl an Ladungsträgern in einem dann kürzeren Zeitraum bewegt werden muss.

Bild 4: IGBT-Rückwärtsstrom in Abhängigkeit der angelegten Spannung bei verschiedenen Temperaturen (Pulsdauer je Messwert 20 ms)
(Bild: SEMIKRON)

In kleinen Schritten wird nun die Spannung bis zum Ansprechen einer Schutzschaltung angehoben. Die Schutzschaltung ist notwendig, um einer Zerstörung des IGBTs vorzubeugen und so sein Verhalten bei verschiedenen Parametern überprüfen zu können. Der Betrag des gemessenen Stromverlaufs nimmt exponentiell mit dem Betrag der Spannungshöhe zu (Bild 4). Bei höheren Temperaturen ergibt sich eine weitere Verschiebung hin zu betragsmäßig höheren Stromwerten. So wird bei 150 °C Chiptemperatur und einer angelegten Spannung von 120 V bereits ein Strom von 500 mA gemessen.

In einem anschliessenden Versuch werden zahlreiche IGBTs mit schrittweise ansteigender Amplitude der Spannungspulse bis zur Zerstörung der Bauteile beaufschlagt. Die Ergebnisse dieser Messreihe stellt Bild 5 in Form horizontaler Linien dar, die die maximal erzielbare Spannungshöhe für eine spezifische Pulsdauer zeigen. Zusätzlich eingezeichnet sind die Spannungsverläufe aus den Vorwärtserholzeiten der betrachteten Diode. Liegt eine horizontale Linie oberhalb des Spannungsverlaufs der Diode für ein definiertes di/dt, so kann man diese Situation als hinreichend sicher für den IGBT bezeichnen. Bemerkenswert ist der mit abnehmender Pulsdauer deutlich zunehmende Sicherheitsabstand, was eben der Trägheit des Plasmaaufbaus geschuldet ist.

Bild 5: Safe Operating Area (SOA) des antiparallelen IGBT4 für Pulsbreiten von 20 ms, 1 ms und 10 µs in Relation zur Vorwärtserholzeit einer CAL4-Leistungsdiode (75 A/1200 V)
(Bild: SEMIKRON)

Während bei Pulsdauern von 1 ms und 20 ms eine Kommutierung oberhalb von 16kA/µs noch im kritischen Bereich liegt, ist dies bei einer Pulsdauer von 10 µs eindeutig nicht mehr der Fall. Legt man den großzügigen Fall von 10 kA/µs bei einer gewählten Pulsdauer von 10 µs zugrunde, so beträgt der Sicherheitsabstand mehr als das sechsfache.

Bei modernen und niederinduktiv aufgebauten Modulen sind hohe Kommutierungs-di/dt auf die Freilaufdiode möglich. Die sich daraus aufbauende Vorwärtserholspannung darf den antiparallel geschalteten IGBT keinesfalls zum Durchbruch bringen, was unweigerlich zur Zerstörung des Moduls führen würde.

Die im Versuch getesteten extremen Stromanstiegsgeschwindigkeiten sollten die grundsätzliche Problematik der Vorwärtserholung und der damit einhergehenden Belastung des antiparallelen IGBTs aufzeigen. Allerdings sind die im Laborversuch erreichten hohen di/dt-Werte unter Bedingungen wie sie im Feld herrschen kaum zu realisieren. Ebenso sind sowohl die konstante Höhe als auch die Zeitdauer des Pulses für den IGBT extremer als es den realen Begebenheiten entspricht. Vor diesem Hintergrund ist ein 6-facher Sicherheitsabstand entsprechend zu bewerten.

Mit fortschreitender Entwicklung neuer, schnellschaltender Bauelemente und Layouts mit kurzen Schaltwegen und geringen parasitären Induktivitäten ist die skizzierte Problematik allerdings nicht vom Tisch, im Gegenteil: ein gutes Zusammenspiel von IGBT und Diode ist wichtig, damit auch in Zukunft der Rückwärtsbetrieb funktioniert.

* * Stefan Schuler ist Entwicklungsingenieur und

* André Müller Bachelorand bei SEMIKRON, Nürnberg.

(ID:36093520)

IGBTs im Rückwärtsbetrieb

Warum das gute Zusammenspiel von IGBT und Diode wichtig ist

Safe Operating Area – IGBTs auf dem Prüfstand