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.

Die Verwendung von Reverse Recovery bei Dioden

In Halbbrücken-Antriebssteuerungen und anderen Leistungswandler-Anwendungen mit antiparallel geschalteten Dioden zur Durchleitung von Freilaufströmen hat die Reverse-Recovery-Charakteristik der Diode einen hohen Einfluss auf die Betriebseffizienz des Schaltkreises. Beim Durchleiten von Freilaufströmen speichert die Diode Ladung als Minoritätsträger, die zu einer geringeren Dioden-Durchlassspannung beitragen. Wird die Diode kommutiert, muss diese gespeicherte Ladung durch Rekombination und Rückstromfluss neutralisiert werden, bevor die Diode als abgeschaltet gelten kann.

Dieser Reverse-Recovery-Vorgang trägt zu einem Teil der Energieverluste im System bei. Um diese Verluste zu minimieren, haben Bauteilentwickler meist ultraschnelle Halbleiter-Fast-Recovery-Dioden (FRDs) mit der kürzest möglichen Erholungszeit verwendet. In vielen Fällen sind diese FRDs in das Leistungsmodul integriert. Von Toshiba beispielsweise gibt es eine Reihe von IEGT-Modulen mit integrierten FRDs. Die Module decken Nennspannungen bis 3,3 kV und Nennströme von 400, 800 oder 1200 A ab und sind im 140 mm x 130 mm oder 140 mm x 190 mm großen Gehäuse erhältlich.

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IEGT/SiC-Leistungsmodule der nächsten Generation

Um die Effizienz von IEGT-Leistungsmodulen weiter zu erhöhen, hat Toshiba seine neueste Generation von IEGT-Modulen mit integrierten SiC-Schottky-Barrier-Dioden (SBDs) vorgestellt. Bild 1 zeigt die Anschlüsse und die interne Schaltung des Moduls.

Als Halbleitertechnologie mit großer Bandlücke bietet SiC eine höhere Effizienz und Zuverlässigkeit als herkömmliche Silizium-Halbleiterbausteine wie FRDs. Bis jetzt haben nur relativ wenig Hersteller, darunter Toshiba, SiC-Produkte erfolgreich auf den Markt gebracht. SiC-SBDs sind gute Alternativen für Siliziumdioden bei der Leistungswandlung und beim Schalten – und das über einen weiten Leistungs- und Anwendungsbereich hinweg. Sie sind um bis zu 50% effizienter als herkömmliche Siliziumdioden und aufgrund der geringeren Wärmeerzeugung auch widerstandsfähiger gegen hohe Spannungen und Ströme. Toshiba bietet eine Reihe diskreter High-Voltage SiC-SBDs an, wie z.B. die 650-V-TRS12E65C, die im März 2013 auf dem Markt eingeführt wurde.

SiC-Technologie bietet also eine höhere Effizienz und ein besseres Wärmemanagement. Dies ist gerade in Anwendungen wie Solar-Wechselrichtern und Hochleistungsantrieben in der Industrie gewünscht. Hochleistungs-Strangwechselrichter sind derzeit das Haupteinsatzgebiet für SiC-Dioden und Transistoren, da kostengünstige Microinverter Siliziumtransistoren mit SiC-Dioden kombinieren, um die Leistungsfähigkeit möglichst kostengünstig zu erhöhen.

Toshibas neuestes IEGT/SiC-SBD-Hybridmodul vereint 1700 V/1200 A-Silizum-IEGTs mit antiparallel geschalteten SiC-SBDs in einer Halbbrücken-Topologie auf 130 mm x 140 mm x 38 mm Modulgröße. Der IEGT bietet bei einem Strom von 1200 A eine Sättigungsspannung von weniger als 3 V. Er kann einen hohen Strom sehr schnell abschalten und verursacht niedrige Schaltverluste, da die Abschaltenergie (Eoff) bis zu 30% geringer ist als bei einem herkömmlichen Baustein bei einer angelegten Spannung von 850 V. Hinzu kommt, dass das Modul einen Betrieb bis 150 °C garantiert.

Die mitverbaute SiC-SBD bietet einen Durchlassnennstrom von 600 A bei einer niedrigen Durchlassspannung von 2,8 V und eignet sich ideal für Antriebswechselrichter. Der Leckstrom der SiC-SBD beträgt weniger als 10 µA. Der innere Aufbau wurde für hohe Stoßstrombelastbarkeit und eine kleinere Durchlassspannung bei hohen Strömen optimiert.

Mit der verbesserten Reverse-Recovery-Charakteristik der SiC-SBD verringern sich sowohl die Einschaltverluste als auch die Reverse-Recovery-Verluste. Letztere betragen sogar weniger als ein Zehntel der Verluste herkömmlicher Siliziumdioden. Die Bilder 2 und 3 zeigen den Einfluss der SiC-Diode auf die Reverse-Recovery-Verluste und Einschaltverluste des Moduls. Die unteren Signalformen in Bild 2 verdeutlichen den wesentlich geringeren Reverse-Recovery-Strom, der 97% weniger Reverse-Recovery-Energieverlust verursacht (Bild 3). Das obere Signal in Bild 2 zeigt, wie sich mit einer SiC-SBD die Einschaltenergie verringern lässt.

Das Kunststoffgehäuse des Moduls ist so aufgebaut, dass es hohe Zuverlässigkeit und geringen Wärmewiderstand bietet. Der interne Aufbau des Moduls besteht aus einem Aluminium-Siliziumkarbid-(Al-SiC)-Metall-Matrix-Composite-(MMC)-Bodenplattenmaterial, das einen sehr geringen Wärmewiderstand und Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Dies garantiert eine hohe Produktlebensdauer mit hoher Lastwechselfestigkeit. Der Modulaufbau besteht aus Materialien mit hoher CTI (Comparative Tracking Index) und bietet eine hohe Isolationsspannung.

Analyse der Modul-Leistungsfähigkeit

Bild 4 vergleicht die Verlustleistung eines Halbbrücken-Wechselrichters mit neuestem 1700 V/1200 A-Hybrid-IEGT/SiC-SBD-Modul zu einem früheren Baustein mit herkömmlichen Silizium-FRDs. Die Gesamtverlustleistung des Hybridmoduls ist um 30% geringer als beim früheren Modul. Die deutlich höhere Effizienz sorgt für weitere Vorteile. Beispielsweise lassen sich so Kühlsysteme und andere elektrische Antriebskomponenten verkleinern. Insgesamt kann dadurch die Größe von Wechselrichtern um bis zu 40% verringert werden.

* Dr. Georges Tchouangue ist Chef Ingenieur für Leistungshalbleiter bei Toshiba Electronics Europe

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