Auswahl eines Leistungsschalters

Die Bedeutung von Bausteinen der Leistungselektronik zur Steuerung elektrischer Systeme nimmt in dem Maße zu, in dem Regierungsstellen und Endverbraucher einen niedrigeren Stromverbrauch und eine höhere Energieeffizienz in Anlagen und Geräten fordern, die von der Beleuchtung über Haushaltsgeräte und Heiz-/Kühlsysteme bis hin zu Elektrofahrzeugen und industriellen Hochleistungsmotoren reichen.

Elektroantriebe sind derzeit mit ungefähr 45 Prozent am weltweiten Elektrizitätsverbrauch beteiligt, und das hatte neue, auf hohe Effizienz ausgerichtete gesetzliche Vorschriften wie die IEC 60034-30 zur Folge, die in letzter Konsequenz elektronische Drehzahlregelungen verbindlich vorschreiben werden. Andere Geräte wie die Stromversorgungen von Fernsehempfängern oder PCs unterliegen Ökodesign-Richtlinien wie dem Energy Star sowie der europäischen ErP-Richtlinie (Energy-related Products), die eine hohe Energieeffizienz vom Standby- bis zum Volllastbetrieb fordern. Gesetzliche Vorschriften bezüglich verbrauchsarmer Beleuchtungen stellen einen weiteren Schritt dar, der vermutlich Millionen Tonnen von CO₂-Emissionen einsparen könnte, was indes nur beim Einsatz von leistungselektronischen Vorschaltgeräten und Treibern erreichbar ist. Außerdem müssen die Entwickler bei der Auswahl von Leistungsschaltern oder Modulen für wichtige Subsysteme – wie etwa an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossene Wechselrichter – fundierte Entscheidungen treffen, wenn die Pläne erreicht werden sollen, einen zunehmenden Anteil der weltweiten Energienachfrage aus erneuerbaren Quellen zu stillen.

Schalterauswahl

Die Halbbrücke stellt eine verbreitete Schalttopologie in Motoransteuerungen und Wechselrichtern für zahlreiche Anwendungen dar, die einen weiten Bereich von Nennspannungen, Nennströmen und Nennleistungen umspannen. Normalerweise werden die High-Side- und die Low-Side-Schalter der Halbbrücke unter Verwendung von MOSFETs oder IGBTs implementiert. Entwickler müssen nun Bausteine mit einem geeigneten Nennwert auswählen, welche für die Betriebsbedingungen ausgelegt sind. Dadurch kann die Brücke sowohl die gewünschte Effizienz als auch gleichzeitig die Zielsetzungen beispielsweise hinsichtlich der Kosten oder der Time-to-Market erreichen.  Diese Faktoren können durch andere Einflussgrößen wie etwa die Komplexität der Schaltungen zur Gate-Ansteuerung stark beeinflusst werden.

Typischerweise erhalten  MOSFETs  in Niederspannungsanwendungen bis zu ungefähr 250 V sowie bei ausgangsseitigen Nennleistungen von weniger als 500 W den Vorzug. Geringere Schaltverluste im Vergleich zu IGBTs erlauben einen Betrieb bei höheren Frequenzen, was wiederum den Einsatz kleinerer Filterkomponenten möglich macht. Die jüngsten MOSFET-Generationen sind normalerweise die Leistungsschalter der Wahl in Applikationen wie synchronen DC/DC-Buck-Schaltreglern, wie sie in energiebewussten Einsatzbereichen in der Telekommunikation, in Netzwerken sowie Computern Verwendung finden.

IGBTs werden bei Applikationen mit höheren Spannungen, besonders bei über 1000 V bevorzugt sowie dann, wenn die Ausgangsleistung im Bereich von 5 kW oder darüber liegt. Nachdem der IGBT die Ausgangs-Schalt- und Leitungscharakteristik eines Bipolar-Transistors aufweist, begrenzt sein langsames Abschaltverhalten, auch Schweifstrom (Current Tail) genannt, tendenziell die Schaltfrequenz einer IGBT-Brücke auf weniger als 20 bis 50 kHz. Andererseits ermöglicht die Struktur mit isoliertem Gate eine Spannungssteuerung des Schaltvorgangs, ähnlich einem MOSFET, wodurch das Design der Gate-Ansteuerschaltung vereinfacht werden kann.

Verbesserung der Bausteincharakteristik

In dem Zwischenraum zwischen dem Bereich mit hohen Frequenzen/geringen Spannungen/geringen Leistungen, in dem ein MOSFET klar bevorzugt wird, und den Anwendungen mit niedriger Frequenz/hoher Spannung/hoher Leistung, für die sich der IGBT besser eignet, ist die Alternative zwischen einem MOSFET oder einem IGBT weniger eindeutig. Um eine fundierte Entscheidung zu treffen, müssen die Entwickler die Anforderung der Applikation ebenso berücksichtigen wie die spezifischen Parameter von den zur Wahl stehenden Bausteinen. Aus diesem Grunde ist es unerlässlich, sich der jüngsten Verbesserungen bei den Bausteintechnologien, sowohl bei IGBTs wie bei MOSFETs, bewusst zu sein.

Generell haben aufeinanderfolgende IGBT-Generationen die Tendenz, im Einschaltzustand einen geringeren Spannungsabfall (V_ceon) zu bieten und auf diese Weise durch die reduzierten Leitungsverluste zu einer höheren Energieeffizienz beizutragen. Außerdem ergibt die gesteigerte Strombelastbarkeit auf einer kleineren Chipfläche Platzeinsparungen und erhöht die Stromdichte, während ein verbessertes Soft-Switching die Erzeugung von elektromagnetischen Störungen (EMI) reduziert.

Mit jeder neuen Generation von MOSFETs bieten die Bausteine tendenziell eine weiter verringerte Gate-Ladung sowie eine geringere Eingangs-/Ausgangs-Kapazität, was wiederum zur Verbesserung der Schaltleistung beiträgt. Gleichzeitig hilft die Senkung des Einschaltwiderstands pro Chipfläche, den Wirkungsgrad im leitenden Zustand zu verbessern. Dadurch, dass sie höhere Nennspannungen erreichen, ermöglichen es MOSFETs wie IRs jüngste 300-V-Familie den Entwicklern, die Vorteile geringer Leitungs- und Schaltverluste sowie hoher Betriebsfrequenzen in Anwendungen auf die Spitze zu treiben, die bislang die hohen Nennspannungen oder Nennströme eines IGBTs benötigt hatten.

IGBTs der jüngsten Generation

Bild 1: Verbesserungen in der IGBT-Technologie Gen8 haben eine erhöhte Stromdichte und einen besseren Wirkungsgrad zur Folge.International Rectifier

IR entwickelte seine 1200-V-IGBTs der 8. Generation, um Leistungsmodule möglich zu machen, die im Rahmen der etablierten Abmessungen des Moduls nach dem  34-mm-Industriestandards eine erhöhte Leistungsfähigkeit zu bieten. Verglichen mit früheren Punch-Through- und Non-Punch-Through-Bausteinen mit einer planaren Architektur sind die Gen8-Bausteine durch eine Trench-Gate Field-Stop-Architektur gekennzeichnet, die zahlreiche Vorteile mit sich bringt. Die Trench-Architektur vermeidet den in Planar-IGBTs vorhandenen parasitären JFET; das trägt zunächst zu einer Reduktion der Kollektor-Emitter-Spannung bei, wenn der Baustein voll eingeschaltet ist, und erhöht in der Folge den Wirkungsgrad im leitenden Zustand. Zudem ermöglicht die vertikale Gate-Struktur höhere Nennströme im Verhältnis zur Chipgröße. Bild 1 gibt das Ausmaß dieser Verbesserungen wieder, indem sie für Gen8- sowie konkurrierende IGBT-Familien die Stromdichte sowie den Einschalt-Spannungsabfall (V_ceon) miteinander vergleicht.

Zusätzlich führt die ultra-dünne 140-µm-Wafertechnologie zu einer effektiven Verkürzung des Leitungspfads, was eine weitere Senkung des Spannungsabfalls über den Baustein zur Folge hat. Der Gen8-Wafer, der ungefähr 25 Prozent dünner ist als bisherige Non-Punch-Through-(NPT) Wafer und der weniger als halb so dick ist wie ein 380 µm Punch-Through-(PT) Wafer (Bild 2), profitiert ebenfalls von einer verringerten Ladung der Ladungsträger, woraus sich sowohl eine verbesserte Schaltleistung ergibt als auch eine stärkere Wärmeabstrahlung für eine bessere thermische Performance.

Bild 2: Die ultra-dünne Wafertechnologie ermöglicht eine bessere Leitungs-, Schalt- und Wärme-Performance.International Rectifier

Der Gen8-Fertigungsprozess erlaubt die Produktion von IGBTs innerhalb eines sehr engen Parameter-Bereichs, was beim Bau hoch effizienter Module die Parallelschaltung von Bausteinen vereinfacht. Bei Verwendung von Gen8 1200-V-IGBTs ist es möglich, ein 1200-V-/200-A-Halbbrückenmodul im Industriestandard-Formfaktor 34 mm zu entwickeln. Eine weitere Verbesserung, durch die sich diese Generation auszeichnet, ist eine sehr weiche Abschaltcharakteristik, die ein niedriges dV/dt aufweist. Das führt zu einer Reduzierung der EMI sowie der Überspannung während des Schaltvorgangs; dadurch sind die Bausteine ideal für den Einsatz in Motorantrieben geeignet.

Stärkere MOSFETs

Unter den jüngsten Verbesserungen innerhalb der MOSFET-Kategorie weisen IRs neue StrongIRFET Leistungs-MOSFETs einen ultra-niedrigen Einschaltwiderstand von lediglich 1,0 mΩ auf, um auf diese Weise den Wirkungsgrad in einem weiten Anwendungsspektrum zu verbessern. Über Anlagen wie Solarwechselrichter, industrielle Fahrzeuge wie elektrische Gabelstapler sowie elektrisch betriebene Scooter hinaus sind diese Bausteine auch zur Verwendung in Batterie-Packs, in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Elektrowerkzeugen sowie ORing- und Hot-Swap-Applikationen geeignet.

Die Familie, die 14 Bausteine umfasst, bietet darüber hinaus sehr hohe Nennströme von bis zu 362 A. In Verbindung mit ihrem sehr niedrigen Einschaltwiderstand kann das zur Verbesserung der Zuverlässigkeit beitragen, und es verhilft den Entwicklern zu einer zusätzlichen Flexibilität, um bei Verwendung einer geringeren Zahl von Komponenten ihre Zielsetzungen bezüglich der Systemleistung zu erreichen.

Für Anwendungen mit höheren Spannungen, bei denen bei Vorgängergenerationen wohl ein IGBT die naheliegende Wahl gewesen wäre, hat IR außerdem eine Familie von 300-V-Bausteinen vorgestellt, deren Einschaltwiderstand für eine breite Palette von hoch effizienten industriellen Anwendungen neue Maßstäbe setzt; dazu zählen hart geschaltete und hochfrequente Applikationen, Synchrongleichrichter und USV ebenso wie DC-zu-AC-Wechselrichter wie Solarwechselrichter.

Bausteine in dieser Familie sind mit einem Einschaltwiderstand von nur 32 mΩ lieferbar, wobei sie einen hohen Wirkungsgrad mit einer Hochspannungsfähigkeit vereinen. Indem sie zur Minimierung der Einschaltverluste beitragen, können sie außerdem Entwickler in die Lage versetzen, die Zahl der benötigten Teile zu reduzieren, wenn mehrere MOSFET parallel zum Einsatz kommen.

Packaging begünstigt den Fortschritt

Neue Gehäusetechnologien tragen ebenfalls zur Verbesserung der Performance von Bausteinen wie MOSFETs bei, insbesondere hinsichtlich des Einschaltwiderstands und der Wärmeleistung. IR brachte vor kurzem die 25-V-Power-Block-Familie auf den Markt, welche die jüngsten MOSFET-Halbleiter mit neuartigen Gehäusetechniken mit 5 mm x 6 mm PQFN-Abmessungen vereint. Die ersten freigegebenen Bausteine sind der 45 A IRFH4251D sowie der 35 A IRFH4253D, die für den Einsatz in synchronen Buck-Schaltreglern in Stromversorgungen für die Telekommunikation, für Netzwerke, Server oder PCs optimiert sind. Das Gehäuse ist durch einen umgedrehten Chip (Flipped Die) gekennzeichnet, der die direkte Wärmeabstrahlung von der Source des Synchron-MOSFETs in die potenzialfreien Schichten der Leiterplatte ermöglicht. Außerdem enthält es den von IR im eigenen Hause entwickelten Single-Copper-Clip, der zur Minimierung des elektrischen Kontaktwiderstands beiträgt. Intern ist der Baustein so aufgebaut, dass die Streuinduktivität auf ein Mindestmaß reduziert wird, was ein niedrigeres Spitzen-Überschwingen zur Folge hat. Die Entwickler können einen dieser dualen Bausteine einsetzen, um zwei diskrete 5 mm x 6 mm Standard-MOSFETs  zu ersetzen. Es ist außerdem möglich, diese neuen 25-V-MOSFETs anstelle von älteren und weniger effizienten 30-V-Ausführungen zu verwenden.

(jj)