Bild 1: Treiberschaltung des Stromrichterzweigs mit den jeweiligen Rg-Werten.STMicroelectronics
Es wurden zwei vergleichbare diskrete Schaltungslösungen mit Leistungs-MOSFETs und IGBTs untersucht, um abhängig von den Einsatzbedingungen der Applikation – beispielsweise in Bezug auf Leistungsaufnahme und Schaltfrequenz – die richtige Option zu ermitteln. Die hierbei begutachteten Bauelemente basieren einerseits auf der Ultra-Fast-IGBT-Technologie für 600 V in Verbindung mit den ultraschnellen Turbo 2 Soft-Recovery-Dioden. Andererseits kommt ein 525 V Leistungs-MOSFET in Ultra-Fast-Mesh-Technologie zum Einsatz, dessen Body-Diode eine kurze Sperrverzögerungszeit aufweist. Beide Lösungen werden in Industriestandard-Gehäusen wie der Bauform DPAK angeboten und ermöglichen daher extrem kompakte Lösungen, was beim Design von Stromrichter-Lösungen ein wichtiges Kriterium ist. Für die vergleichende Analyse der IGBT- und der MOSFET-Lösung wurde als Beispiel-Anwendung eine Laugenpumpe verwendet, wie sie in Geschirrspülmaschinen zum Einsatz kommt. Die Ansteuerung des Motors erfolgt dabei per Vektorregelung mit sinusförmigen Signalen. Der MOSFET-basierte Stromrichter erweist sich als leistungsfähiger, wenn die PWM-Frequenz und die Eingangsleistung eher gering sind. Der IGBT wiederum liegt mit seinem besseren elektrischen und thermischen Verhalten vorn, wenn die Ansteuerstrategie eine hohe Schaltfrequenz vorsieht.
Auf einen Blick
Der Beitrag widmet sich zwei diskreten Leistungselektronik-Lösungen auf der Basis eines 525 V Leistungs-MOSFET beziehungsweise eines 600 V IGBT, beide mit DPAK-Gehäuse. Die Evaluierung erfolgt am Beispiel eines kollektorlosen Gleichstrommotors mit 100 W Leistung, wie er unter anderem als Laugenpumpen-Antrieb in einer Geschirrspülmaschine verwendet wird. Der mit sinusförmiger Vektorregelung angesteuerte Motor läuft mit 3200 Umdrehungen pro Minute.
MOSFET oder IGBT?
Im Streben nach mehr Nachhaltigkeit haben viele Länder in den vergangenen Jahren strengere Energieeffizienz-Standards für Hausgeräte eingeführt, an denen sich die Hersteller dieser Geräte zu orientieren haben. Um die Energieeffizienz des Gesamtsystems zu steigern, gilt es das komplette Stromrichter-Design zu optimieren.
Ob ein IGBT oder ein MOSFET die richtige Wahl ist, hängt von mehreren Kriterien ab. Neben der Eingangsleistung gehören dazu die verwendete Regelungsstrategie und die PWM-Schaltfrequenz sowie deren Auswirkungen auf den Wirkungsgrad, der unter dem Strich erzielt wird. In diesem Artikel geht es um einen Vergleich der elektrischen und thermischen Eigenschaften zweier Lösungen. Die eine basiert auf einem Ultra-Fast-IGBT des Typs STGD3HF60HD mit einer im selben Gehäuse untergebrachten, ultraschnellen Soft-Recovery-Freilaufdiode, die andere auf dem Leistungs-MOSFET des Typs STD5N52U, der über eine ultraschnelle Body-Diode verfügt.
Bild 2: Verluste bei 5 kHz Schaltfrequenz und 50 W Eingangsleistung.STMicroelectronics
Der Ultra-Fast-Mesh-Leistungs-MOSFET STD5N52U bietet die Vorteile eines reduzierten Einschaltwiderstands, eines per Z-Diode geschützten Gates und einer sehr hohen dv/dt-Festigkeit mit einer extrem angereicherten, schnellen Body-Drain-Diode. Dank der sehr kurzen Sperrverzögerungszeit der Body-Diode von typisch 55 ns ist es nicht erforderlich, die endgültige Applikation mit sechs diskreten schnellen Dioden auszustatten, was die Lösung insgesamt vereinfacht.
Der IGBT vom Typ STGD3HF60HD beruht auf einer neuen, fortschrittlichen Planartechnologie. Diese ermöglicht die Produktion von IGBTs mit stabilerer Schalt-Performance (Eoff) über die Temperatur sowie mit geringeren Leitverlusten.
MOSFET und IGBT werden im Industriestandard-Gehäuse der Bauart DPAK angeboten und sind für Motorantriebe niedriger Leistung vorgesehen. Die folgenden Abschnitte zeigen, wie Designer den richtigen Baustein für die Betriebsbedingungen ihrer jeweiligen Applikation finden können.
Die Testanordnung
Bild 3: Gehäusetemperatur bei 5 kHz Schaltfrequenz.STMicroelectronics
Die IGBT-Implementierung und die alternative Lösung auf Basis eines MOSFET wurden zu Testzwecken als Leistungsschalter in der Ansteuerschaltung für eine Geschirrspülmaschinen-Laugenpumpe (100 W, 230 V) eingesetzt, die per Vektorregelung (FOC, Field Oriented Control) mit sinusförmigen Signalen angesteuert wird. Die Eigenschaften beider Lösungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (zum Beispiel PWM-Schaltfrequenzen von 5 kHz bis 15 kHz und Motor-Eingangsleistungen von 50 W, 100 W und 10 W) wurden anhand der Gehäusetemperatur (TCASE) verglichen.
Die wichtigsten Merkmale der Technologie des MOSFET und des IGBT werden nachfolgend ebenso beschrieben wie die Vorkehrungen für den Test in der Applikation. Der dann folgende Abschnitt vergleicht die Leit- und Schaltverluste des Ultra-Fast-IGBT mit denen des Ultra-Fast-Mesh-MOSFET.
Bild 4: Verluste bei 15 kHz Schaltfrequenz und 50 W Eingangsleistung.STMicroelectronics
Der STD5N52U ist ein MOSFET mit einem BVDSS-Wert von 525 V und einem maximalen RDS(on) von 1,5 Ω. Seine intrinsische Body-Diode zeichnet sich durch eine extrem kurze Sperrverzögerungszeit von trr = 55 ns (typisch) aus. Der STGD3HF60HD wiederum ist ein 4,5-A-/600-V-IGBT mit einer antiparallelen, ultraschnellen Soft-Recovery-Diode.
Die Treiberschaltung des Stromrichterzweigs ist aus Bild 1 zu ersehen. Die Rg-Werte wurden während der Tests so gewählt, dass sich für beide Produkttypen gleich steile Strom- und Spannungsflanken (di/dt beziehungsweise dv/dt) ergaben.
Die Ergebnisse
Eine mit niedrigerer PWM-Schaltfrequenz betriebene MOSFET-Lösung kommt auf geringere Leitungsverluste (Bild 2) als die IGBT-Lösung, was auf den sehr geringen RDS(on) des MOSFET bei niedrigen Betriebstemperaturen zurückzuführen ist (Bild 3).
Höhere Schaltfrequenzen (zum Beispiel 15 kHz) führen zu höheren Kommutierungsverlusten, was die Temperatur des MOSFET wie auch seinen RDS(on) ansteigen lässt. Hierdurch entstehen wiederum höhere Leitungsverluste als bei der IGBT-Lösung, bei dem der VCEsat-Wert einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist (Bild 4). Je geringer allerdings die Eingangsleistung ist, umso größer ist der Bereich der Eingangsfrequenzen, in dem der Leistung-MOSFET die beste Wahl ist. Im Gegenzug ist die IGBT-Lösung umso mehr im Vorteil, je höher die Eingangsleistung und je niedriger die Schaltfrequenz ist (Bild 5 und Bild 6).
Bild 5: Gesamtverluste bei 150 W Eingangsleistung.STMicroelectronics
Was die Schaltverluste betrifft, sind zwar die Abschaltverluste im Fall des IGBT höher, jedoch fallen die dynamischen Verluste des IGBT insgesamt niedriger aus als bei dem MOSFET. Dies ist dem ausgezeichneten Sperrverzögerungs-Verhalten der mit dem IGBT in einem Gehäuse untergebrachten Diode zu verdanken, deren Auswirkungen während der Einschaltphase geringer sind als bei der Body-Drain-Diode des MOSFET (siehe Bild 2 und Bild 4).
Fazit
Bild 6: Gehäusetemperatur bei 100 W Eingangsleistung.STMicroelectronics
Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass die Bedingungen der jeweiligen Applikation, wie etwa die Eingangsleistung und die PWM-Schaltfrequenz, den Ausschlag darüber geben können, welcher Schaltbaustein die beste Wahl ist.
Francesco Distefano, Giuseppe Introvaia, Salvatore La Mantia
(jj)
