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Grundlagen der Leistungshalbleiter

Power Devices zwischen Theorie und elektrischer Realität

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Schritt 2 zur Realität: induktive Anteile

Eine zweite Erweiterung des idealen Schalters betrifft die parasitären Induktivitäten, die sich durch die Aufbau- und Verbindungstechnik ergeben. Jedes Stück Metall weist eine geringe Induktivität auf, was auch für die in Halbleitern eingesetzten Bonddrähte und Kupferflächen sowie die notwendigen Anschlussterminals von Modulen gilt. Bereits die Anschlussleitungen kleiner Bauformen wie TO247-Packages üben hier eine störende Wirkung aus. In Bild 4 sind die maßgeblichen induktiven Anteile im Schaltbild ergänzt.

Auch die induktiven Anteile haben Einfluss auf das dynamische Verhalten der Anordnung. Für die Ansteuerung ist die Induktivität LsigmaE´ von Bedeutung. Die hohe Schaltgeschwindigkeit moderner Halbleiter führt beim Abschaltvorgang zu einer induzierten Spannung UL=L diL/dt. Bei Schaltgeschwindigkeiten von 1 kA/µs erzeugt jedes Nanohenry (nH) eine Spannung von 1 V. Übliche Anstiegsgeschwindigkeiten liegen heute für IGBTs bei 5 bis 8 kA/µs, Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) erreichen erheblich höhere Werte.

Beim Abschalten kommt es zur Bildung einer Spannung an der Induktivität LsigmaE‘, die die von außen angelegte Gate-Spannung innerhalb des Moduls anhebt. Ist das Gate zum Ausschalten mit 0 V angesteuert und die induzierte Spannung erreicht die als Threshhold-Spannung bezeichnete Grenze von 3 bis 4 V, tritt parasitäres Einschalten auf.

Beim Einschaltvorgang auf einen bestehenden Kurzschluss können sich die parasitären Anteile ebenfalls als nachteilig erweisen. Über der Miller-Kapazität kann hier eine Überhöhung der wirksamen Gate-Spannung entstehen, hierdurch erhöht sich das Niveau des Kurzschluss-Stromes. Begrenzt der IGBT bei 15 V Gate-Spannung den Kurzschluss-Strom auf das 4- bis 5-fache des Nennstromes, kann der Faktor bei 17 V schnell auf 8 bis 10 steigen. Ein sicheres Abschalten des Fehlers wird hierdurch erschwert.

Je nach verwendetem Treiberaufbau hilft eine schnelle Diode, die das Gate gegen die positive Versorgungsspannung klemmt und die Spannungsüberhöhung limitiert. Ein besonderes Augenmerk ist auf die Induktivität LsigmaC zu legen; sie beinhaltet neben der Induktivität im Leistungshalbleiter auch die Streuinduktivität der DC-Anbindung. Beim Ausschalten des IGBT treibt diese Induktivität die Spannung zwischen Emitter und Kollektor in die Höhe. In Bild 5 ist die auftretende Spannungsüberhöhung als ∆U eingetragen.

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Transient kann diese Spannungsspitze mehrere hundert V erreichen, abhängig von der Qualität der DC-Anbindung. Die maximal zulässige Sperrspannung des Halbleiters darf nicht überschritten werden, da eine Verletzung der als Safe Operating Area (SOA) bezeichneten Grenzen die sofortige Zerstörung des Schalters bedeuten kann.

Bild 5 zeigt eine Messung an einem Aufbau, der eine Gesamtinduktivität von etwa 54 nH aufweist und trotzdem eine Überspannung von 200 V generiert. Der niederinduktive Aufbau von DC-Kreisen stellt sich aus geometrischen Gründen häufig als Herausforderung dar; oft erfolgt der Griff zu sogenannten Snubber-Kondensatoren. Diese Kondensatoren bedämpfen zwar die Überspannung, beseitigen aber deren Ursache nicht. Zusätzlich stellen sie einen weiteren Energiespeicher dar, bringen unnötig Resonanzfrequenzen in den Aufbau ein und erhöhen die Kosten des Gesamtsystems.

Die Wirksamkeit von Snubber-Kondensatoren ist darüber hinaus begrenzt, selten beträgt die Reduktion der Spannungsspitze mehr als 35 V. Eine Reduktion der Streuinduktivität durch geeignete Leiterbahngeometrie um wenige Nanohenry erbringt den gleichen Effekt.

Wie niedrig die Streuinduktivität durch solche Maßnahmen sein kann, zeigt der Aufbau eines 300-kVA-Inverters, den Infineon auf der PCIM 2012 vorgestellt hat. Als Konsequenz der bandförmigen Leiterbahnführung vom DC-Anschluss über die Zwischenkreiskondensatoren bis zum Leistungshalbleiter weist das in Bild 6 dargestellte Design eine Streuinduktivität von weniger als 10 nH auf.

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