Wie rückwärtssperrende IGBTs Energie sparen

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Der RB-IGBT bringt eine weitere Reduktion der Schaltverluste

RB-IGBT: Diese Topologie weist dieselben Vorteile wie eine NPC2-Schaltung auf, wenn man die Anzahl der Komponenten betrachtet. Es ergeben sich ebenfalls geringe Ein- und Ausschaltverluste, weil nur zwei Schalter (T1 und T2) im Hauptzweig schalten, wenn man die NPC1- und die RB-IGBT-Anordnung vergleicht. Der ausschlaggebende Vorteil des RB-IGBTs ist die weitere Minimierung der Schaltverluste. Ein einzelner RB-IGBT ersetzt somit einen IGBT in Serie mit einer Diode, womit die Komponentenzahl weiter verringert wird.

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Einziger Nachteil, wie auch schon in NPC2 erwähnt, ist die Nutzung von Schaltern mit hoher Sperrspannungsfähigkeit im vertikalen Zweig, welches die Verluste gering steigen lässt. Allerdings weist diese Topologie die höchste Effizienz auf.

Leistungsvergleich zwischen üblichem IGBT und RB-IGBT

Der Hauptunterschied zwischen einem konventionellen IGBT und dem RB-IGBT ist die Fähigkeit negative Spannung zu blockieren. Im Regelfall können IGBTs Spannungen nur in eine Richtung blockieren, dies ist beim RB-IGBT anders. Die speziell entwickelte Struktur des RB-IGBT basiert auf der NPT-Technologie (NPT; Non Punch Through), die allerdings um eine Dotierungsschicht erweitert wurde. Der Unterschied beider Strukturen wird in Bild 3 deutlich. Ein konventioneller NPT-IGBT besteht aus der Gate-Struktur (planar angeordnet), einer n--Drift-Region sowie einer p+-dotierten Rückseite. Sobald eine negative Spannung angelegt wird, entstehen Ladungsträger an der Chip-Seitenkante.

Da während des Chip-Herstellungsprozesses der IGBT-Die aus dem Wafer geschnitten wird, bilden sich an der Chip-Kante Kristalldefekte aus, die wiederum zu einer hohen Ladungsträgerdichte an dieser Stelle führen. An diesem Rand werden aufgrund von den herstellungsbedingten Kristalldefekten Ladungsträger generiert, die bei negativ angelegter Spannung wegen des auftretenden elektrischen Feldes zu einem hohen Fehlerstrom führen und somit den IGBT zerstören. Es tritt ein Kurzschluss ein. Fügt man nun geschickt eine p+-dotierte isolierende Region hinzu, dann unterdrückt man die Generierung von Ladungsträgern. Dieser Bereich fehlt dem herkömmlichen Leistungstransistor und macht diesen ausfallbehaftet gegenüber negativen Spannungen.

Zerstörung des IGBT durch Überflutungseffekt

Die Rückwärtssperrfähigkeit wird in Bild 4 dargestellt, das Sie auf der nächsten Seite des Artikels finden. In Rot ist die U-I-Charakteristik beim Anlegen von negativer Spannung eines konventionellen IGBTs mit NPT-Struktur aufgezeigt. Bereits nach dem Anlegen von wenig negativer Spannung tritt ein Überflutungseffekt der Ladungsträger im IGBT ein, der zu einem starken Anstieg eines Fehlerstromes führt. Die angelegte Gate-Emitter-Spannung von +15 V dient zur Unterstützung der Rückwärtssperrfähigkeit aufgrund des Absaugens auftretender Ladungsträger am Emitter. Trotzdem bricht die rückwärtsblockierende Spannungsfähigkeit ein und der IGBT ist zerstört.

Anders hingegen verhält sich der RB-IGBT, hier in blau und türkis dargestellt, der bei einem kurzgeschlossenen Gate-Emitter (V_GE = 0 V) eine Rückwärtssperrfähigkeit von etwa 600 V aufweist und beim Anlegen einer Gate-Emitter-Spannung von +15 V sogar ungefähr 750 V (türkis) blockieren kann. In Vorwärtsrichtung kann an dem RB-IGBT maximal 680 V angelegt werden, bevor es zu einem Überflutungseffekt kommt, der den IGBT zerstört.

Hingegen allen Unterschieden beider IGBT-Typen besitzen sie die gleiche aktive Fläche. Dementsprechend ist die maximale Schaltgeschwindigkeit sehr ähnlich. In dem Fall von einer negativ angelegten Spannung, nachdem der RB-IGBT vorher in Vorwärtsrichtung leitend war, agiert der RB-IGBT ähnlich einer Freilaufdiode und die Sperrverzögerungszeit ist gleich der einer regulären Diode. Vergleicht man nun die Kombination eines konventionellen IGBTs mit Diode mit dem rückwärtssperrenden IGBT, dann ist die Durchlassspannung des RB-IGBTs viel kleiner aufgrund der nicht vorhandenen Diode in Serie. Diese Optimierung trägt erheblich zur Minimierung der Gesamtverluste bei. Schaltet man nun zwei RB-IGBTs antiparallel zueinander, dann entsteht so ein bidirektionaler Schalter.

Der Vorteil eines 3-Level-Umrichters ist nun offensichtlich und findet sich in den geringen Verlusten und höheren Effizienz des Umrichtersystems wieder. Die Verknüpfung von zwei IGBTs und Diode, die einer NPC2-Topologie entspricht (vgl. Bild 2), führt somit zu höheren Verlusten. Bemerkenswert ist die Effizienz der RB-IGBT-Topologie, die mit 97,73% höher ist als die einer NPC2-Lösung mit 97,59%. Die Effizienzsteigerung von 0,14% mag zunächst nicht enorm erscheinen, sie ist allerdings, muss man die Energieeinsparung doch über die Lebenszeit und Laufzeit des Wechselrichters betrachten. Somit lässt sich auf 15 Jahre gesehen mit dem RB-IGBT erheblich mehr Energie einsparen als mit der NPC2-Lösung.

* * Daniel Hofmann ist Application Engineer Power-Semiconductor Department bei Fuji Electric in Offenbach.

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