IEGT-Module IEGT plus SiC: Hybrid-Ansatz für effizientere Wechselrichter

Autor / Redakteur: Georges Tchouangue * / Gerd Kucera

Um die Effizienz von IEGT-Leistungsmodulen weiter zu erhöhen, hat Toshiba SiC-Schottky-Barrier-Dioden in ihre neueste Generation der IEGT-Module integriert. Vorteile und Nutzen beschreibt der Artikel.

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Bild 1: Neueste Generation eines Hybrid-Silizium-IEGT/SiC-SBD-Halbbrückenmoduls
Bild 1: Neueste Generation eines Hybrid-Silizium-IEGT/SiC-SBD-Halbbrückenmoduls
(Bild: Toshiba)

Siliziumkarbid-Bausteine (SiC) ermöglichen von der Bahnantriebstechnik bis hin zu erneuerbaren Energien erhebliche Leistungs- und Effizienzsteigerungen. Die Einführung von Hybrid-Technologien kombiniert diese Leistungs- und Effizienzvorteile nun mit der Hochstromfähigkeit von Silizium-IEGTs (Injection-Enhanced Gate Transistors). Entwickler können so Verluste effektiv reduzieren und Anlagen bzw. Systeme minimieren.

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Effizientere Großantriebe, wie sie in der Bahntechnik oder beim Stahlwalzen in der Schwerindustrie zu finden sind, können selbst mit ihrem weltweit kleinen Prozentsatz zu erheblichen Energieeinsparungen beitragen, da weniger Wärme erzeugt und verschwendet wird. Damit ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Betriebskosten, beim Gerätedesign und der Leistungsfähigkeit sowie bei der CO2-Bilanz. Leistungshalbleiter haben in den letzten Jahren enorme Fortschritte erzielt. Neue Bauteilarchitekturen, Fertigungsprozesse und Technologien sorgen für eine bessere Schalteffizienz und geringere Leitungsverluste.

Wesentliche Eigenschaften der Leistungsschalter

Um noch mehr Systemanforderungen zu erfüllen, wie zum Beispiel Zuverlässigkeit und Gesamtkosten, können Entwickler von Hochleistungs-Antrieben wie Choppern und Wechselrichtern zwischen einem Thyristor oder IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) als Hauptschaltelement wählen. Beide Bausteine haben ihre Stärken und Schwächen, was Entwickler dazu zwingt, sich für den Baustein zu entscheiden, der den besten Kompromiss für die jeweilige Anwendung bietet. Thyristoren haben generell eine niedrige Durchlassspannung, was geringe Leitungsverluste verspricht. Zum Ausschalten ist aber ein komplexer Kommutierungsschaltkreis erforderlich. Der GTO-Thyristor (Gate Turn Off) reduziert zwar die Komplexität der Kommutierungsschaltung, die Schalteffizienz bleibt aber unter der eines IGBT.

Der IGBT bietet den Vorteil eines spannungsgesteuerten MOS-Gates (Metal-Oxide Semiconductor), das eine relativ einfache Gate-Treiberschaltung benötigt. Hinzu kommt die niedrige Sättigungsspannung eines Bipolartransistors. Seine Fähigkeit, hohe Schaltfrequenzen zu unterstützen, erlaubt den Einsatz kleinerer Kondensatoren und Induktivitäten. Der IGBT verfügt auch über einen großen sicheren Betriebsbereich (SOA; Safe Operating Area), was der Sicherheit und Zuverlässigkeit zugute kommt. Ein Nachteil des IGBT ist seine relativ hohe Sättigungsspannung, verglichen zur niedrigen Durchlassspannung des Thyristors. Dies führt zu höheren Durchlassverlusten, die den Gesamtwirkungsgrad beeinträchtigen können.

Weiterentwicklung der IEGT-Bausteine

In den letzten Jahren konnte man die technische Weiterentwicklung des IEGT (Injection Enhancement Gate Transistor) verfolgen. Dieser Halbleiter ist einfach anzuwenden, unterstützt hohe Schaltgeschwindigkeiten und verfügt über die große SOA des IGBT, wie sie von Thyristor-basierten Schaltungen her bekannt ist.

Der IEGT ist ein Hochleistungs-MOS-Gate-Baustein, der sich wie ein IGBT verhält, aber eine niedrigere Sättigungsspannung im Vergleich zur Durchlassspannung eines Thyristors bietet. Die niedrige Durchlassspannung des Thyristors ist das Ergebnis aus einer hohen Ladungsträgerkonzentration, die durch Elektroneninjektion sowohl an der Anode als auch an der Kathode entsteht. Im Gegensatz dazu sind die Durchlasseigenschaften herkömmlicher IGBTs durch die Löcherbewegung vom Kollektor zum Emitter bestimmt. Dies führt zu einer relativ niedrigen Ladungsträgerkonzentration auf der Emitterseite.

Der IEGT-Prozess beseitigt zusammen mit einer optimierten Gate-Struktur und einem Abstand zwischen den Elektroden die Einschränkungen des IGBT. Dazu wird eine hohe Ladungsträgerkonzentration geschaffen, ähnlich wie einem Thyristor, die eine wesentlich niedrigere Sättigungsspannung als bei herkömmlichen IGBTs ermöglicht. Die Sperrspannung ist ebenfalls höher als bei einem IGBT und ähnlich der eines Thyristors.

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