Frag den Schulz! Wieviel Strom kann so ein Halbleiter eigentlich?

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

In der Diskussion um die Auslegung von Leistungshalbleitern ist die wiederkehrende Frage, warum ein Halbleiter, der für einen Strom X beworben wird, für genau diesen Strom in der Applikation dann plötzlich viel zu klein erscheint.

Warum reicht ein mit 60 A angegebener Baustein nicht, um eine Applikation mit 60 A Ausgangsstrom zu bedienen?

Strom und Temperatur

Die Stromtragfähigkeit eines Leistungshalbleiters ist immer an eine thermische Situation gebunden. Verlustleistung, thermischer Widerstand, Betriebs- und Umgebungstemperatur stellen eine unzertrennliche Einheit dar, was im Datenblatt der Bauteile auch berücksichtigt und dargestellt ist.

Für ein 60 A IGBT-Modul vom Typ MIXA60W1200 findet sich im Datenblatt die in Bild 1 gemachte Angabe zum Kollektorstrom I_C.

Der Wert des Kollektorstromes von 85 A ist im Betrieb des Moduls zu erreichen, wenn die Bodenplattentemperatur T_C. bei 25 °C verbleibt, was einer intensiven Kühlung bedarf.

Steigt die Bodenplattentemperatur auf 80 °C, sinkt der zulässige Dauerstrom bereits auf 60 A.

Da dies eine applikationsnähere Aussage ist, stellt diese Größe auch den für die Namensgebung herangezogenen Wert von 60 A dar.

Zur Betrachtung der thermischen Situation finden sich im Datenblatt weitere Angaben. Neben dem thermischen Übergangswiderstand vom Chip zu Bodenplatte R_thjc ist eine maximal zulässige Chiptemperatur T_vj. vermerkt. Für die Temperaturbestimmung braucht es zusätzlich die Verlustleistung P_v, die am Chip entsteht.

Der mathematische Zusammenhang dieser Größen ist die lineare Gleichung

Die Stromtragfähigkeit des Haltleiters ist erschöpft, wenn die zulässige Maximaltemperatur erreicht ist, im Beispiel 125 °C.

Bei 60 A und einer Vorwärtsspannung von 1,8 V ergeben sich Verluste von

Eingesetzt in die Gleichung ergibt sich eine Chiptemperatur von

In dieser Betrachtung ist allerdings der Kollektorstrom ein Dauerstrom, es entstehen also keine dynamischen Verluste durch Schalthandlung.

Auch hierzu macht das Datenblatt genaue Angaben, die in Bild 2 wiedergegeben sind.

Wichtig für die thermische Berechnung sind hier die Ein- und Ausschaltenergien E_on und E_off.

Aus ihnen ergeben sich nach Multiplikation mit der Schaltfrequenz f_sw die dynamischen- oder Schaltverluste zu

Wird eine Schaltfrequenz von 5 kHz verlangt, ergeben sich mit in Summe 10 mJ an Schaltenergie zusätzliche Verluste von 50 W. Hiermit wäre die Hälfte des thermischen Budgets aufgebraucht, die dann nicht mehr für Stromtransport zur Verfügung steht.

Vereinfacht bleiben 58 W für statische Verluste, was bei 1,8V Vorwärtsspannung noch einen Strom von 32 A erlaubt.

Das Ding mit der Lebensdauer

Neben der Einhaltung der maximalen Chiptemperatur sind meist auch Vorgaben bezüglich der Lebensdauer zu erfüllen. Dies stellt eine weitere Limitierung dar, da der ständig wiederholte Temperaturhub am Chip, das sogenannte Lastprofil, hier die ausschlaggebende Größe ist.

Bild 3 stellt dar, wie viele thermische Zyklen ein Baustein dieser Bauform in Abhängigkeit vom Temperaturhub aushalten kann.

Ist die Applikation mit ihrem Lastprofil und der Lebensdaueranforderung bekannt, erlaubt die Kurve die Abschätzung des maximal tolerierbaren Temperaturhubs.

Herausfordernd sind Applikationen, die im Dauerbetrieb mit häufigen Start-Stopp-Funktionen arbeiten. Darunter fallen Extruder, Pressen, Fahrstühle und Hebevorrichtungen wir Portalkräne.

Hier können hundert oder mehr thermische Zyklen pro Stunde auftreten, was bei einer Anforderung von 10 Jahren Dauerbetrieb zu mehreren Millionen Zyklen führen kann. Entsprechend niedrig muss zur Erreichung der Lebensdauer dann der Temperaturhub ausfallen.

Eine Reduktion des Temperaturhubs gelingt unter anderem mit Aufbauten, die einen kleineren thermischen Widerstand aufweisen. Da dieser aber in guter Näherung linear von der Chipgröße abhängt, führt dies automatisch zur Auswahl einer Komponente mit höherer Stromtragfähigkeit.

Insbesondere wenn, wie in Servo- und Fahrantrieben üblich, die zwei Faktoren „Überlastfähigkeit“ und „hohes Drehmoment bei Drehzahl null“ hinzukommen, muss die Auslegung noch konservativer ausfallen.

Zusammenfassend

Die Stromtragfähigkeit eines Chips ist eine Angabe, der ein relativ einfaches mathematisches Konstrukt unterliegt. Es berücksichtigt die maximale Chiptemperatur, die Verlustleistung und die thermische Anbindung des Halbleiters. Der namensgebende Strom ist der Dauergleichstrom ohne Schaltverluste, bei dem der Chip unter gegebenen Bedingungen die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur erreicht.

Da in der Applikation sehr wohl Schaltverluste zu erwarten sind und die maximale Temperatur aus Gründen der Lebensdauer meist nicht angefahren wird, müssen Leistungshalbleiter grundsätzlich einen höheren Nennstrom aufweisen, als es der Nennstrom der Applikation auf den ersten Blick vermuten lässt. (mr)

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