Wie die Streuinduktivität Leistungshalbleiter behindert

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Streuinduktivität erzeugt Überspannungen beim Abschalten und begrenzt die Schaltgeschwindigkeit. Es ist eine maximale Stromsteilheit einzuhalten, um Sperrspannungsgrenzen nicht zu überschreiten.

Bipolare Leistungshalbleiter, z.B. IGBT und Freilaufdioden, ändern unter hoher Streuinduktivität ihr Schaltverhalten hin zu nachteiligen Stromformen. In Parallelschaltungen von Leistungshalbleitern bewirkt schon sehr geringe Streuinduktivität eine Fehlaufteilung des Stromes, wenn sie die Steuerspannung beeinflusst. All diese Effekte mindern die Ausnutzbarkeit Leistungshalbleitern. Die Änderung der Schalteigenschaften und der Einfluss auf Parallelschaltungen sollen hier genauer beleuchtet werden.

Ein Hauptvertreter einer leistungselektronischen Schaltung ist der Umrichter, wie er in Motorantireben verwendet wird. Die Halbbrücke ist darin ein Phasenbaustein und dient als Gegenstand der Betrachtung. Die Schaltvorgänge führen zur Kommutierung des Stroms von Schaltern zu Dioden und zurück. Dieses Verhalten kann an einer weiter vereinfachten Schaltung nach Bild 1 untersucht werden.

Untersuchung der Auswirkung auf Schalteigenschaften

Zur Untersuchung der Sperrverzögerung der Diode (Bild 1) wird zunächst der IGBT eingeschaltet, um die Lastinduktivität mit Strom zu beladen. Nach Abschalten des IGBT entsteht der Freilauf des Laststromes über die Diode. Schaltet der IGBT erneut ein, kommt es zu der fraglichen Kommutierung des Stromes von der Diode zurück zum IGBT und die Sperrverzögerung der Diode äußert sich in einer Rückstromspitze.

Der IGBT kontrolliert den Schaltvorgang, solange keine oder nur geringe Streuinduktivität LS im Zwischenkreis enthalten ist. Sobald die Steuerspannung des IGBT die Schwellspannung erreicht, beginnt der Strom im IGBT zu steigen und in der Diode zu fallen (Bild 2). Die Steigung des Stromes (di/dt) ist durch den Verlauf der Steuerspannung am IGBT bestimmt. Der Strom steigt bis zur Rückstromspitze, die von der Sperrverzögerung der Diode herrührt, an.

Die Spannung an dem IGBT beginnt zu diesem Zeitpunkt zu fallen und an der Diode zu steigen. Wiederum kontrolliert der IGBT als Folge der Form seiner Steuerspannung den Verlauf der Spannung am IGBT und an der Diode. Nach Ende der Rückstromspitze kehrt der Strom im IGBT auf den Wert des Laststromes zurück und die Spannung am IGBT sinkt auf das Durchlassniveau (V_CEsat). Die Spannung an der Diode verläuft komplementär zu der Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT. Die Spannung an der Diode überschreitet zu keiner Zeit die Gleichspannung V_DC im Zwischenkreis. Die Diode sieht während der Sperrverzögerungszeit, in der Rückstrom fließt, Spannungen unterhalb von V_DC. Unter solchen Bedingungen, die bei geringer Streuinduktivität gegeben sind, ist es nicht schwer, Dioden mit sanftem Abklingen des Rückwärtsstromes zu konstruieren und herzustellen (siehe schwarze Kurven in Bild 2).

Die Kurven von Spannung und Strom an IGBT und Diode ändern sich dramatisch, wenn hohe Steuinduktivität hinzukommt. Zunächst entsteht während des Stromanstiegs im IGBT ein Spannungsabfall an der Streuinduktivität, der sich als Einbruch in der Spannung am IGBT widerspiegelt. Trotz des Spannungseinbruchs am IGBT bleibt der Stromanstieg vom IGBT über seine Steuerspannung gesteuert.

Der Spannungseinbruch wirkt allerdings über die Kollektor-Gate-Kapazität des IGBT zurück auf die Gatespannung, sodass durch die Streuinduktivität ein verlangsamter Stromanstieg entsteht. Sobald die Rückstromspitze erreicht ist, kehrt di/dt um und die Streuinduktivität induziert eine Überspannung an der Diode, weil die Diode den Stromfall verursacht. In diesem Zeitraum wird nun typischerweise die Zwischenkreisspannung V_DC an der Diode überschritten.

Somit erfährt die Diode eine völlig veränderte Spannungsbelastung zu einem Zeitbereich, während dem noch Rückstrom durch die Diode fließt. Die geänderte Spannungsform an der Diode bewirkt eine geänderte Stromform. Die Rückstromspitze verbreitert sich und der Stromschweif verschwindet. Auf diese Weise entsteht aus einem sanften Abschaltvorgang ein Stromabriss – ein Snap-off des Rückwärtsstromes durch die Diode.

Nochmals überhöhte Überspannungen an der Diode und Schwingungen von Strom und Spannung sind die Folge. Während der Zeit, in der noch Rückwärtsstrom fließt, bedeutet eine hohe Spannung an der Diode auch eine höhere Verlustleistung. Da diese hohe Verlustleistung an der Diode die Abschaltbelastung der Diode ausmacht, bewirkt hohe Streuinduktivität erhöhte Schaltbelastung der Diode.

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Die Spitzenverlustleistung wird häufig auch als Grenzwert für Freilaufdioden angegeben. Um bei hoher Streuinduktivität diesen Grenzwert einzuhalten, muss das Einschalten des IGBT verlangsamt werden. Dies führt wiederum zu zusätzlichen Einschaltverlusten im IGBT (siehe [7]). Um das Abkommutieren von Dioden bei hoher Steuinduktivität zu beherrschen müssen Freilaufdioden mit einem stark ausgeprägten Schweifstrom (Sperrverzögerungsladung) versehen werden, damit ein sanftes Abschalten der Dioden erhalten bleibt.

Das Einschalten des IGBT muss verlangsamt werden, um die Grenzwerte der Spitzenverlustleistung nicht zu überschreiten. Auf diese Weise behindert Streuinduktivität die Verwendung von bipolaren Dioden mit minimalen Verlusten und die volle Ausnutzung von Siliziumleistungsdioden. Beispiele dazu finden sich in [1]. Ähnlich wie Dioden ihr Abschaltverhalten unter hoher Streuinduktivität ändern, tun das auch IGBTs. Bild 3 zeigt die schematischen Schaltkurven eines IGBTs beim Abschalten. Wieder zeigen die schwarzen Kurven den Fall mit vernachlässigbarer Streuinduktivität. Die Kollektor-Emitter-Spannung steigt zunächst auf das Zwischenkreisniveau V_DC an bevor der Strom des IGBT fallen kann und auf die Diode kommutiert.

Zum Zeitpunkt, zu dem die Kollektorspannung V_DC erreicht, beginnt der Strom zu fallen. Ein Stromschweif sorgt wiederum für einen sanften Abschaltvorgang und verhindert Schwingungen. Für die Diode gelten die zum IGBT komplementären Signale Um diese durch hohe Streuinduktivität bewirkten Effekte zu vermeiden, müssen IGBTs und Dioden mit erhöhter Sperrverzugs- bzw. Tailladung ausgestattet werden, sodass trotz hoher Steuinduktivität ein sanftes Abklingen der Ströme erreicht wird. Auf diese Weise verhindert Steuinduktivität den Einsatz verlustoptimierten IGBTs und Dioden und damit die volle Ausnutzung der Potentiale dieser Bauelemente. Beispiele, die diese Auswirkungen für 3,3-kV-Module bestätigen, finden sich in den Referenzen [1], [2] wieder. Neuere Bespiele beziehen sich auf 750-V-IGBT, sogenannte EDT2 für Automobilanwendungen im HybridPACK2-Modul [3], [4]. Dort wurden verschiedene Varianten untersucht.

Die Autoren von [3], [4] mussten eine Variante auswählen, die bei der vorliegenden Streuinduktivität des System keine zu hohen Überspannungen und außerdem keine Oszillationen erzeugt. Eine in den Abschaltverlusten minimierte Variante ist durch das Schaltverhalten nach Bild 4 charakterisiert. Bei geringer Streuinduktivität schaltet diese Variante ebenfalls sanft ab und ohne zu hohe Überspannung ab. Bei hoher Streuinduktivität ändert sich die Stromform, der Spannungsverlauf ändert sich ebenfalls.

Im IGBT gespeicherte Ladung wird im Fall hoher Streuinduktivität früher extrahiert und sie fehlt am Ende zur Bereitstellung eines sanft abklingenden Tailstrom. Der fehlende Tailstrom führt zu einem abrupteren Ende des Stromes und Oszillationen sind die Folge. Zur Kompensation der hohen Streuinduktivität muß ein IGBT mit höherer Tailladung (Bild 5) eingesetzt werden, der dann immer noch einen sanft ausklingenden Strom bereit stellt. Bild 5 zeigt den Ausschaltvorgang der beiden IGBT-Varianten unter hoher Streuinduktivität.

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