Leistungsumrichter Vierte IGBT-Generation für verlustarme Umrichter

Autor / Redakteur: Wilhelm Rusche* / Gerd Kucera

Moderne Leistungsumrichter mit IGBTs werden für unterschiedliche Anwendungen und Leistungsklassen entwickelt. Weil sie eine immer kompaktere Bauform haben sollen, müssen ihre Verlustleistungen deutlich sinken. Hier bietet die neue IGBT4-Generation wesentliche Vorteile im Vergleich zur vorherigen IGBT3-Generation.

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Infineons neue 1200-V-IGBT4-Leistungshalbleitergeneration bietet mit drei Chipversionen für Low-, Medium- und High-Power-IGBT-Module optimierte Spezifikationen zum Einsatz in aktuellen Umrichterkonzepten. Diese drei neuen Chipversionen sind: der IGBT4-T4, IGBT4-E4 und IGBT4-P4.

Der IGBT4-T4-Chip hat reduzierte Schaltverluste für schnelles Schalten und kommt in Low-Power-Modulen mit Modul-Nennströmen von 10 bis 300 A zum Einsatz. Der IGBT4-E4 mit reduzierten Schalt- und Durchlassverlusten ist in Medium-Power-Modulen mit 150 bis 1000 A Nennstrom integriert. Eine weichere Schaltcharakteristik hat der IGBT4-P4-Chip für Hochstromanwendungen mit High-Power-IGBT-Modulen. Sein Nennstrom Inen größer 900 A. Die IGBT4-P4-Version wurde ausführlich in früheren Veröffentlichungen beschrieben, daher fokussiert sich dieser Artikel auf die Low- und Medium-Power-IGBT4-Versionen (siehe unten angegebenen Link).

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Weniger Verluste und eine um 25°C höhere Sperrschichttemperatur

Neue Umrichterkonzepte sehen u.a. eine immer kompaktere Bauform und eine damit einhergehende reduzierte Verlustleistung vor. Hier bietet die neue IGBT4-Generation einige wesentliche Vorteile im Vergleich zur vorherigen IGBT3-Generation. Zu diesen Vorteilen zählt neben den niedrigeren statischen und dynamischen Verlusten auch eine um 25 °C höher und damit bis zu Tvjop = 150 °C nutzbare Sperrschichttemperatur. Die für die entstehende Verlustleistung relevanten Angaben sind für die neue IGBT4- und der vorherigen IGBT3-Generation in der Tabelle 1 gegenübergestellt.

Neben den verlustleistungsrelevanten Werten war es möglich, die eingesetzte Aufbau- und Verbindungstechnik entscheidend zu optimieren, sodass durch diese Verbesserungen eine deutlich höhere Power-Cycling-Lebensdauer (PC) der IGBT-Module erreicht wird.

Wichtig ist auch die IGBT-Charakteristik beim Ein- und Ausschalten

Moderne Anwendungen verlangen von IGBT-Bauelementen heute mehr als nur die Reduktion von Verlusten. Auch die Charakteristik der Bauelemente während der Ein- und Ausschaltvorgänge sind wichtige Aspekte, die bei einer Chipentwicklung zu berücksichtigen sind. In der IGBT4-Entwicklung konnte eine vergleichbare Schaltcharakteristik, wie sie bereits aus den weitverbreiteten IGBT3-Bauelementen bekannt ist, erreicht werden. Bild 1 zeigt die IGBT-Verluste Eoff in Abhängigkeit des externen Gatewiderstand RG die während der Ausschaltphase entstehen. In einem weiten Bereich sind, wie durch den IGBT3 bekannt, die Ausschaltverluste unabhängig vom externen Gate-Widerstand. Dieses Verhalten ist eine IGBT-bekannte spezifische Eigenschaft.

Der Einfluss der Streuinduktivität beim Ein- und Ausschalten

(Archiv: Vogel Business Media)
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Die Streuinduktivität Lσ hat in Kombination mit dem Stromverlauf () während der IGBT-Ein- und Ausschaltphasen einen wesentlichen Einfluss auf die daraus resultierende Überspannung dV. Durch die Abhängigkeit dV = Lσ· erhöht sich beim Ausschalten des IGBTs mit größerer Streuinduktivität Lσ die Überspannung dV. Die daraus resultierenden IGBT-Schaltverluste sind beispielhaft für ein 1200-V-/300-A-IGBT-Modul, bei verschiedenen parasitären Induktivität in der Tabelle 2 beschrieben.

Nicht nur die Ausschaltverluste, sondern auch die Softness des IGBTs sind in weiten Bereichen mit dem Gate-Widerstand nicht beeinflussbar. Das Schaltverhalten bei Nennstrom in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung zeigen Bild 2 und 3.

Ein Vergleich der verschiedenen IGBT-Generationen

Wird das Schaltverhalten der verschiedenen IGBT-Generationen verglichen, zeigt sich, dass der IGBT4-T4 ein softeres Schaltverhalten als der Low-Power-IGBT3-T3 hat und der IGBT4-E4 ein softeres Schaltverhalten als der Medium-Power-IGBT3-E3-Chip aufweist. Zusätzlich wurde bei der Entwicklung berücksichtigt, dass die E-Version deutlich softer ausgelegt wurde als die T-Serie. Daher ist es möglich den E4 bei höherer Zwischenkreisspannung und/oder bei höherer parasitärer Induktivität im Vergleich zur T-Serie einzusetzen. Interessante Vorteile bietet die T-Serie mit den noch weiter reduzierten Schaltverlusten im Vergleich zur E-Serie.

Über Abreißverhalten und Dioden-Koommuntierung

Das Abreißverhalten von IGBT-Bauelementen von der parasitären Induktivität abhängig. Mit steigender parasitärer Induktivität Lσ nimmt das Abreißverhalten zu. Mit dem E4 ist ein sanftes Abschalten trotz erhöhter parasitärer Induktivität von 65 nH und einer Zwischenkreisspannung von 900 V erreichbar (Bild 3). Bild 4 zeigt beispielhaft, wie bei konstanter Stromsteilheit und erhöhter Streuinduktivität die Überspannung zunimmt.

Das Dioden-Kommutierungsverhalten in Abhängigkeit der parasitären Streuinduktivität muss ebenso wie die IGBT-Verluste bei der Auswahl des optimalen Bauelementes für die in der Anwendung spezifischen Bedingungen berücksichtigt werden. Im beschriebenen Beispiel sind die Veränderungen der Kommutierungsverluste und der Softness bei der verwendeten EmCon-High-Efficency-Diode vernachlässigbar.

Eine höhere Streuinduktivität reduziert die Softness

Hat der Zwischenkreisaufbau eine ungünstig hohe parasitäre Streuinduktivität, kann es erforderlich sein, die IGBT-Einschaltgeschwindigkeit durch Erhöhung des externen Gate-Widerstandes anzupassen, um ein sanfteres Dioden-Kommutierungsverhalten zu erzielen. Ein größerer externer Gate-Widerstand und die damit reduzierte Einschaltgeschwindigkeit generieren höhere Einschaltverluste.

Eine höhere Streuinduktivität reduziert somit die Softness des IGBTs und der Diode, sodass hier, wie beim IGBT4 und der EmCon-Diode, speziell optimierte Bauelemente verwendet werden.

Berechnungsprogramm ermittelt Verluste im Umrichterbetrieb

Mit Hilfe des IGBT-Berechnungsprogramms namens IPOSIM sind die Verluste im Umrichterbetrieb für die neuen Bauelemente errechnet worden. IPOSIM benötigt Angaben zu den statischen und dynamischen Verlusten genauso wie die Hinterlegung der thermischen Eigenschaften des Bauelementes. Für die eingegebenen Anwendungsbedingungen werden damit die Verlustleistung und der effektive Phasenstrom berechnet.

Als erstes Ergebnis wurde mit IPOSIM der maximale Effektivstrom in Abhängigkeit der Sperrschichttemperatur und der Schaltfrequenz berechnet. Die beispielhafte Berechnung für 62-mm-DUAL-Module (Bild 5) zeigt, dass mit der neuen Chip-Familie um 17% höhere Ausgangsströme bei 150 °C im direkten Vergleich mit der vorherigen Chipgeneration bei 125 °C erzielt werden können.

In einer weiteren Berechnung wurden die Verluste der neuen und der vorherige Chipgeneration verglichen. Im ersten Schritt ist für den E3 der Ausgangsstrom effektiv für 8 kHz bei einer Sperrschichttemperatur von 125 °C als Basiswert für die weiteren Berechnungen ermittelt worden. Im nächsten Schritt wurden die Verluste für den gleichen Umrichter-Ausgangsstom der zu vergleichenden Chipgenerationen berechnet. Die Ergebnisse sind in Bild 6 zusammengefasst.

Die im Baustein auftretenden Verluste des E4-Moduls sind etwa 3% kleiner als die Verluste des E3-Moduls und sind vergleichbar mit den Verlusten der T3-Serie. Im Vergleich mit E4 sind die T4-Verluste noch mal um rd. 3% reduziert.

IGBT4-Module: höherer Ausgangsstrom und weniger Verluste

Im Vergleich der Verlustleistungen unter identischen Umrichter-Anwendungsbedingungen und bei gleicher IGBT-Sperrschichttemperatur (Tvj = 125 °C) bietet die neue IGBT4-Generation gegenüber der Vorgängergeneration um bis zu 6% reduzierte Verluste. Durch die höhere Sperrschichttemperatur von Tvjop = 150 °C ergibt sich mit den IGBT4-Bausteinen zusätzlich ein deutlicher Mehrwert in Form eines 17% höheren Ausgangsstromes. Neben dem höherem Ausgangsstrom wird durch Optimierung der modulinternen Verbindungstechnik eine deutlich höhere Power-Cycling-Zuverlässigkeit erreicht. Das Zusammenwirken all dieser Verbesserungen ermöglicht es, Leistungsumrichterkonzepte mit IGBT4 für die jeweilige Anwendungen optimaler auszulegen.

*Wilhelm Rusche ist Manager Technical Marketing IGBT-Modules, Power Management & Drives bei Infineon Technologies, Warstein.

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