IGBT7-Technologie verbessert Power Management-Systeme

Ein IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) ist ein Leistungshalbleiterbauelement mit Kollektor, Emitter und Gate. Er wird als Bipolartransistor bezeichnet, da die Leitung durch die Bewegung von Elektronen und Löchern erfolgt. IGBTs sind die Kraftpakete für eine Vielzahl von Leistungselektronikanwendungen. Dazu gehören beispielsweise Stromrichter, Wechselrichter und Chopper. Sie kommen häufig in netzbetriebenen Systemen und Geräten mit mittlerer oder hoher Schaltleistung von wenigen kW bis zu MW zum Einsatz. IGBT-Leistungsmodule sind wesentliche Komponenten in der Leistungselektronik. Sie steuern und wandeln elektrische Energie in verschiedenen Anwendungen, darunter industrielle Motorantriebe, erneuerbare Energie, Elektrofahrzeuge (EVs) sowie Stromnetze.

Branchenführende Leistungsdichte: Leistungsmodule von Vicor

Vicor präsentiert Stromversorgungsmodule mit branchenführender Leistungsdichte für den Automobilbereich, die 48-V-Stromversorgungssysteme für Elektrofahrzeuge ermöglichen.

Was unterscheidet IGBT7 von früheren Generationen?

Die siebte Generation der IGBT-Leistungsmodule ist aktuell in sieben Gehäusen und verschiedenen Bauelementen erhältlich. Diese zeichnen sich unter Anderem durch eine niedrigere UCE (sat) und Durchlassspannung UF, Überlastfähigkeit bei T_J von 175 °C, 50 Prozent höhere Strombelastbarkeit, verbesserte dv/dt-Regelbarkeit, weiche Freilaufdiode (FWD) und eine einfachere Ansteuerung im Vergleich zu früheren Genera-tionen aus.

Fortschritte in der Trench-Technologie

IGBT Trench7 basiert auf der Micro-Pattern-Trench-/MPT-Technologie. Diese besteht aus parallelen Trench-Zellen, die durch Submikron-Mesas voneinander getrennt sind – im Gegensatz zu den quadratischen Trench-Zellen der vorherigen Generation. Bild 1 zeigt den Querschnitt der verschiedenen Technologien vom Punch-Through bis zum IGBT7.

Der Ladungsträgerspeicher in der Nähe der Emitterelektrode ist bei den IGBT7-Trench-Zellen aufgrund kleinerer Zellabstände und schmalerer Mesas zwischen den Gates größer. Dies verbessert die elektrische Leitfähigkeit in der Driftzone, was wiederum die Durchlassspannung drastisch reduziert und somit zu geringeren Leitungsverlusten bei der IGBT7-Technologie führt. Im Vergleich verschiedener IGBT-Generationen bietet die aktuelle Generation IGBT7 die niedrigste Durchlassspannung, die im Vergleich zu der Vorgängergeneration IGBT4 um etwa 15 bis 20 Prozent reduziert ist.

Die damit einhergehenden geringeren Durchlassverluste senken die Leitungsverluste und erhöhen den Wirkungsgrad in Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Schaltfrequenz. Darüber hinaus verfügt IGBT7 über eine weiche antiparallele Diode mit besseren Sperrverzögerungseigenschaften und einer niedrigen Durchlassspannung (UF), was die Verluste weiter reduziert und eine höhere Leistungsdichte ermöglicht.

IGBT7-Angebot und Eigenschaften

IGBT7-Leistungsmodule sind in 62-mm-Gehäusen für Phasenleiter- oder Halbbrückenkonfigurationen im D3-Gehäuse und für Einzelschalterkonfigurationen im D4-Gehäuse erhältlich. Microchip bietet induktionsarme/flache 62-mm-Gehäuse (SP6C, SP6P und SP6LI) mit reduzierter Bauhöhe und verringerter Gehäuseinduktivität, die eine hohe Leistungsdichte bei hoher Zuverlässigkeit ermöglichen. Niedrigere Leistungsstufen lassen sich mit kleineren Gehäusen wie SP1F und SP3F abdecken, die ebenfalls flache Gehäuse aufweisen und in verschiedenen Konfigurationen erhältlich sind. Die Nennwerte reichen bis 900 A bei 1200 und 1700 V.

Bei einer um 15 bis 20 Prozent geringeren Durchlassspannung ergeben sich in Anwendungen mit mittlerer Schaltfrequenz deutlich geringere Leitungsverluste bei der gegebenen dv/dt-Begrenzung. Auch die geringeren Verluste durch die antiparallele Diode tragen dazu bei.

Warum sind 175 °C Sperrschichttemperatur entscheidend?

Leitungsverluste von IGBTs sind direkt proportional zu UCE (sat) der jeweiligen IGBT-Technologie. IGBT7 hat bei TJ = 175 °C eine typische UCE (sat) von 1,77 V, die weit unter dem Wert von IGBT4 liegt, der 2,1 V bei T_VJ = 150 °C beträgt. Diese um 15 Prozent geringere UCE (sat) verringert die Leitungsverluste erheblich.

Außerdem verringert die reduzierte Durchlassspannung der antiparallelen Diode die Diodenverluste. Die verbesserte Diode senkt dabei die Durchlassspannung im Vergleich zu IGBT4 um 100 mV.

• Gesamtleitungsverlust = IGBT-Leitungsverlust + Diodenleitungsverlust
• Gesamter Schaltverlust = IGBT-Schaltverlust + Diodenschaltverlust
• Gesamtleistungsverlust = Gesamtschaltverlust + Gesamtleistungsverlust
• Wirkungsgrad = Ausgangsleistung/Eingangsleistung = Eingangsleistung + Gesamtleistungsverlust/Eingangsleistung

Die maximale Sperrschichttemperatur von 175 °C ist im Vergleich zu 150 °C (IGBT4) für Motorantriebe mit wiederholten, kurzzeitigen Überlastungen entscheidend. IGBT7-Leistungsmodule sind für anspruchsvolle Anwendungen ausgelegt, da sie im Gegensatz zu IGBT4 eine Sperrschichttemperatur von 175 °C bei Überlast-bedingungen standhalten. Diese Verbesserung um 25 °C hat nicht nur Vorteile für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Antriebswechselrichters, sondern führt auch zu Kosteneinsparungen, da IGBT7 im Vergleich zu anderen Technologien ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

Wechselrichterbasierte Motortreiber kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz, dazu gehören zum Beispiel Nutz- und Landwirtschaftsfahrzeuge, Industrieanlagen und Schienenfahrzeuge. Hier kommt es darauf an, dass sie bei normaler Betriebstemperatur für mindestens 1 min (60 s) einer kurzzeitigen Überlast standhalten.

Das Gleiche gilt für Anwendungen wie USVs, bei denen kurzfristige Überlastungen für die Leistungsspezifikationen kritisch sind und die typischen Überlastungsdauern stark variieren, z. B. 110 Prozent für 10 min, 125 Prozent für 120 s, 150 Prozent für 15 s.

Wechselrichter: Leistungsvergleich von Si-IGBT und SiC-MOSFET

Die Energieeffizienz von industriellen Antrieben hat einen hohen Stellenwert. Halbleiterhersteller versuchen deshalb, die Leistungsfähigkeit der Leistungsbausteine in den Umrichterstufen zu steigern. Eine Lösung sind SiC-MOSFETs.

Während dieser Gesamtintervalle führen der Wechselrichter und damit auch die Schalter mehr Strom, was wiederum zu höheren Sperrschichttemperaturen führt. Der Leistungsschalter muss solchen Überlastungen und dem dadurch verursachten Verschleiß während seiner gesamten Lebensdauer standhalten können. Wiederholte Überlastungen sind Teil industrieller Motoranwendungen und müssen beim Design des Wechselrichters und der Auswahl geeigneter Leistungshalbleiterschalter berücksichtigt werden. Für einen lang-lebigen und erfolgreichen Betrieb ist es wichtig, die Haltbarkeit des Schalters bei diesen Überlastintervallen zu gewährleisten.

Welche Rolle spielt die dv/dt-Regelung bei Motorantrieben?

Durch hohe Regelbarkeit (die Möglichkeit, dv/dt durch Anpassen des Gate-Widerstands R_g zu variieren) lassen sich die Anforderungen an die Motorisolierung oder EMI-Beschränkungen erfüllen. Wechselrichter sind für den Antrieb des Motors erforderlich. Pulsweitenmodulations-/PWM-Signale erzeugen keine sinusförmigen Ausgangsspannungswellenformen. Zusätzlich zu den Oberwellen niedrigerer Ordnung sind diesen Wellenformen auch steile Spannungsspitzen gleicher Amplitude überlagert. Die Windungs-, Phase-Phase- und Erdungsisolation der Statorwicklungen ist den daraus resultierenden dielektrischen Spannungen ausgesetzt. Eine hohe Schaltfrequenz bedeutet höhere und steilere Impulsanstiegszeiten. Diese führen zu hohen dv/dt-Werten, die durch die langen Kabel vom Wechselrichter zum Motor noch verstärkt werden, was zu höheren Spitzenspannungen direkt an den Motoranschlüssen führt. Die Anstiegszeit kann auch die Lager beschädigen, da parasitäre Ströme vom Rotor zum Motorrahmen fließen. Diese gefährlich hohen Spannungsspitzen aufgrund der Anstiegszeit können zu Lichtbögen und schließlich zu Isolationsfehlern führen. Längere Motorkabel führen sogar zu höheren Spannungsüberschwingern mit Spitzenwerten, die das fünffache der Systembetriebsspannung erreichen können (>2000 V bei 415-V-Systemen). Hohe Spannungsspitzen können zu Isolationsdurchschlägen führen, die Phase-Phase- oder Windungs-Kurzschlüsse zur Folge haben und anschließend den Antriebssensor aufgrund von Überstrom abschalten. Aus diesem Grund empfehlen Motorenhersteller, einen dv/dt-Wert von 5 kV/µs an der Wechselrichterklemme im ungünstigsten Fall für 3-Phasen-Motoren mit 380/415/440 V_AC nicht zu überschreiten.

Je länger die Verbindung zwischen Motor und Umrichter ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit von dv/dt-Spitzen und deren Steilheit, was die Spannung am Motoranschluss auf gefährliche Werte ansteigen lässt. Es ist wichtig, den Spannungsgradienten dv/dt gemäß den Anforderungen an die Motorisolierung zu optimieren und dabei den universellen Industrieantrieb sorgfältig zu entwickeln. Um diese Optimierung zu erreichen, ermöglicht IGBT7 die optimale Regelung der dv/dt-Änderung des Wechselrichters, indem der Gate-Widerstands R_g angepasst wird.

Wird R_g erhöht, sinkt der Einschalt- als auch der Ausschalt-dv/dt-Wert. Liegt R_{g (on)} im optimalen Bereich, sinkt der Einschalt-dv/dt-Wert deutlich. Dabei muss R_g optimiert werden, um die gewünschte dv/dt <5 kV/µs zu erreichen. Microchip stellt ein Diagramm von R_g und relativer dv/dt bereit, um dv/dt zu optimieren. Entwickler industrieller Motorantriebe können so Designprobleme elegant lösen.

Wie vereinfacht IGBT7 die Gate-Ansteuerung?

CGE (Gate-Emitter-Kapazität) und CGC (Gate-Kollektor-Kapazität) sind so aufeinander abgestimmt, dass der IGBT7 die vollständige Kontrolle über dv/dt hat und die Schaltwellenform optimiert. CGE ist so ausgelegt, dass parasitäre Einschalteffekte vermieden werden, sodass eine Nullspannungsversorgung zum Ausschalten möglich ist (unipolare Gate-Treiber-Stromversorgung).

Verbesserte Strombelastbarkeit bei kompaktem Design

IGBT7-Bausteine bieten eine höhere Strombelastbarkeit als die Vorgängergeneration IGBT4. Dies führt zu mehr Ausgangsleistung bei gleicher Grundfläche, was einen Sprung in der Baugröße bedeutet, um kleinere Bauteile verwenden zu können. Dadurch erhöht sich auch die Gesamtleistungsdichte, da sich mehr Leistung auf einer bestimmten Fläche komprimieren lässt. Dies vermeidet mehrere parallele Schalter, verringert die Komplexität und verbessert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Die höhere Leistungsdichte reduziert die Materialkosten (BoM) des Stromversorgungssystems und beschleunigt die Markteinführung.

Die Gehäuse von Microchip mit ihrer geringen parasitären Induktivität reduzieren Spannungsüberschwinger und verbessern so die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Die geringere Bauhöhe ermöglicht mehr Leistung auf kleinerem Raum, was die Leistungsdichte von IGBT7 verbessert.

Durch die geringere Überspannung wird es für Anwender einfach, 1200-V-Module für eine Zwischenkreisspannung von 700 bis 800 V anstelle von 1700 V zu verwenden – vorausgesetzt, das gesamte Wechselrichterlayout ist induktionsarm und mit einer internen Sammelschiene ausgestattet. Dies spart erhebliche Kosten für die Module und die Gate-Treiberplatine, was zu einem kostengünstigen Design des Stromversorgungssystems führt.

Die IGBT7-Trench-Technologie und ihre zahlreichen Vorteile machen die Leistungsmodule vielseitig einsetzbar für verschiedene Anwendungen und Mega­trends mit niedrigen bis mittleren Schaltfrequenzen. Die einfache Handhabung ohne komplexe Gate-Ansteuerung vereinfacht das Design und erübrigt auch die Entwicklung neuer Treiber. Die verschiedenen Topologien lassen sich einfach als Bauelemente für Wandler in zahlreiche Anwendungen integrieren und bieten so Designflexibilität und gleichzeitig eine schnellere Markteinführung. (bs)