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Insulated Gate Bipolar Transistor WARP2-IGBTs schalten jetzt mit 150 kHz

Autor / Redakteur: Satyavrat R. Laud* / Gerd Kucera

Schneller schaltende IGBTs führen zu einer verbesserten Energiebilanz mit reduzierten Gesamtverlusten und kleineren passiven Bauelementen. Die Schaltfrequenz der WARP-IGBTs konnten durch Architekturverbesserungen von 80 auf 150 KHz im Betrieb angehoben werden. Damit lassen sich noch sparsamere Schaltungen z.B. für geregelte Antriebe, Lampenvorschaltgeräte und Stromversorgungen realisieren.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transostor) ist das bevorzugte Schaltelement in Leistungsanwendungen mit einer Nennspannung ab 500 V. Dazu zählen Lampenvorschaltgeräte, Antriebselektronik, Schaltnetzteile, USV, Waschmaschinen, Kühlschränke, Klimageräte und Induktionsherde. Weiterentwicklungen von IBGT-Architektur und Herstellungsprozess erlauben eine höhere Schaltfrequenz bei gleichzeitig reduzierten Gesamtverlusten.

Der Unterschied zwischen IGBT und Power-MOSFET

Der IGBT kann als bipolarer PNP-Transistor betrachtet werden, den ein N-Kanal-MOSFET ansteuert (Bild 1). Auf diese Weise ergibt sich ein einfaches, spannungsgesteuertes Schalten, wie bei einem Power-MOSFET, jedoch ohne Einschränkungen eines MOSFETs, z.B. hoher Einschaltwiderstand bei hohen Nenn-Durchbruchsspannungen.

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Ein wesentlicher Unterschied zwischen IGBT und Power-MOSFET besteht darin, dass die IGBT-Struktur keine parasitäre Reverse-Diode enthält. Bei Dreiphasen-Umrichterantrieben beispielsweise können die Auswirkungen der Body-Diode die durch den MOSFET verursachten Gesamtverluste verdoppeln, was wiederum die Menge der abzuführenden Wärme erhöht und zu höheren Kosten für den Kunden führt. Ein IGBT-Umrichter ermöglicht es den Entwicklern, eine externe Fast-Recovery-Diode zu implementieren, die für optimale Reverse-Recovery-Kennwerte sorgt und deshalb die durch Sperrerholung der Diode hervorgerufenen Verluste beträchtlich reduziert. Ein durchdachter IGBT-Umrichter vermeidet die Notwendigkeit eines Snubber-Netzwerks zur Verringerung der durch eine parasitäre Body-Diode des MOSFET erzeugten elektromagnetischen Störung.

Ein IGBT ersetzt mehrere im Parallelbetrieb arbeitende MOSFETs

Ganz allgemein bietet der IGBT einen deutlich niedrigeren Leitungsverlust bei höheren Strompegeln als vergleichsweise ein MOSFET mit identischen Nennspannungen. Die nutzbare Stromdichte des IGBT ist ebenfalls ungefähr zwei- bis dreimal größer als bei einem Leistungs-MOSFET und erlaubt dadurch die Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Chips für denselben Strompegel. Deshalb kann ein einziger IGBT mehrere im Parallelbetrieb arbeitende MOSFETs ebenso ersetzen wie irgendwelche der supergroßen Leistungs-MOSFETs, die heutzutage erhältlich sind. Außerdem ermöglicht er so zusätzliche Einsparungen in der Materialliste.

Zusätzlich zu Punch-Through-(PT-) und Non-Punch-Through-(NPT-)-Bausteinen gibt es auch eine unlängst vorgestellte IGBT-Familie von International Rectifier, welche mithilfe der patentierten Depletion-Stop-Trench-Gate-Technologie den Kompromiss zwischen Schalt- und Leitungsverlusten optimiert. Als Ergebnis bieten diese Bausteine einen höheren Leistungspegel als Punch-Through-(PT-)- oder Non-Punch-Through-(NPT-)-IGBTs.

Der Ein- und Ausschaltmechanismus des IGBT

Der Einschalt- und Abschaltmechanismus eines N-Kanal-PT-IGBTs lässt sich wie nachfolgend beschrieben erklären. Den strukturellen Aufbau eines derartigen Bausteinen zeigt Bild 1.

Einschalten: Wenn die Gate-Emitter-Spannung unter dem Schwellenwert liegt und die Kollektor-Emitter-Spannung positiv ist, dann ist der Baustein abgeschaltet. Es fließt lediglich ein geringer Leckstrom vom Kollektor zum Emitter. Mit zunehmender positiver Spannung am Gate werden Elektronen in den P+-Bereich unter dem Gate angezogen. Ist der Schwellenwert des Bausteins erreicht, befinden sich dort ausreichend viele Elektronen, um einen N-Kanal zwischen dem N+-Gebiet (unter Emitter und Gate) und der N-Epitaxie-Bereich unter dem Gate einzurichten. Dann fließen Elektronen vom N+-Bereich unter dem Emitter über den entstandenen N-Kanal in den N-Epi-Bereich.

Das bedeutet einen herkömmlichen Stromfluss ausgehend von der Basis eines bipolaren PNP (P+-Substrat, N-Epi-Bereich, P+-Bereich unter dem Emitter), wodurch der Baustein einschaltet und einen Stromfluss vom Kollektor zum Emitter zulässt.

Außerdem wird zu diesem Zeitpunkt die Sperrschichtdiode zwischen dem P+-Substrat und der N+-Pufferschicht in Durchlassrichtung vorgespannt, wenn mindesten 0,7 V über der Sperrschicht vorliegen. Der Elektronenfluss in die N-Epitaxie-Schicht (der Basis des PNP-Transistors) und der in Durchlassrichtung vorgespannten Diode (P+-Substrat zu N-Epi-Schicht) verursacht eine Injektion von Löchern vom P+-Substrat in die N-Epi-Schicht. Wenn sich die positive Spannung am Kollektor des IGBTs erhöht, nimmt auch die Rate der Löcher-Injizierung so lange zu, bis die Löcherkonzentration in der N-Epi-Schicht das Dotierungsniveau im Hintergrund übertrifft. Als Folge beginnt die N-Epi-Schicht ihren inhärenten negativen Zustand zu verlieren.

Die Grundlage der überlegenen Einschaltleistung des IGBTs

Mit weiter zunehmender Dichte der injizierten Löcher muss die Konzentration von Löchern und Elektronen gleich werden, um eine Ladungsneutralität aufrecht zu erhalten. Jedoch sind diese Konzentrationen, auch wenn sie gleich sind, weit höher als das ursprüngliche Hintergrund-Dotierungsniveau. Dies senkt den Widerstand der N-Epi-Schicht in hohem Maße.

Da die N-Epi-Schicht die Schicht mit dem höchsten Widerstand darstellt, moduliert dieser Prozess die Leitfähigkeit des Bausteins effektiv. Diese „Leitungsmodulation“ ist entscheidende Grundlage für die überlegene Einschaltleistung des IGBTs, weil sie im Vergleich zu einem MOSFET von vergleichbarer Chipgröße einen drastisch geringeren Einschalt-Spannungsabfall ermöglicht. Darüber hinaus mindert er die Abhängigkeit des IGBT von der Betriebstemperatur und der Nennspannung. Im Vergleich dazu ist der Rds(on) eines MOSFET in starkem Maße temperaturabhängig.

Was beim Abschalten im Innern des IGBT passiert

Um den Baustein abzuschalten, wird die Gate-Emitter-Spannung Vge auf 0 V oder innerhalb gewisser Höchstgrenzen auf einen negativen Wert abgesenkt. Der N-Kanal (auch als Inversionsschicht bezeichnet) lässt sich nicht länger aufrecht erhalten und die Versorgung der N-Epi-Schicht mit Elektronen wird abgebrochen. Das löst den Abschaltvorgang aus. Jedoch kann das Abschalten erst abgeschlossen werden, wenn die hohe Zahl von in den N-Epi-Bereich injizierten Minoritätsladungsträgern (den Löchern) durch Rekombination neutralisiert wird.

Anfänglich fällt der Kollektor-Emitter-Strom abrupt ab, doch tritt infolge des allmählich abklingenden Rekombinationsstroms ein Abschaltstrom auf. Deshalb ist die Abschaltzeit des IGBT verhältnismäßig langsam im Vergleich zur Abschaltzeit des MOSFETs (die keine Minoritätsladungsträger rekombinieren müssen).

IGBT-Verbesserungen erlauben höhere Schaltfrequenz

Vorzugsweise zielt die derzeitige IGBT-Entwicklung auf eine Verkürzung des Abschaltstromes, um Verluste zu minimieren und höhere Schaltfrequenzen zu ermöglichen. Trench-IGBTs sind ein Ergebnis dieser Entwicklungsbestrebungen.

Durch die Trench-Technologie werden IGBTs mit einer geringeren Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (VCE(ON)) und Gesamtschaltenergie (ETS) möglich als bei IGBTs der Vorgängergeneration. Diese Charakteristika senken die Verlustleistung und erhöhen die Leistungsdichte, sodass ein bis zu 60% höherer Effektivstrom im gleichen Gehäuse zulässig ist. Zu weiteren Vorteilen zählt auch eine Verkleinerung des Kühlkörpers um 50%. Trench-IGBTs eignen sich besonders zum Einsatz in Motorsteuerungen mit weiten Schaltfrequenzbedingungen, zum Beispiel in Haushaltsgeräten, Klimaanlagen, Kühlerlüftern, industriellen Antrieben und Kreiselpumpen.

WARP/WARP2-IGBTs erlauben Schaltfrequenzen bis 150 kHz

Andere neue Entwicklungen sind die Thin-Wafer-Technologie, eine feinere Maskengeometrie sowie ein leichteres Dotierungsniveau im Kollektorbereich. Diese führten zu einer Reduzierung der gespeicherten Ladung, einer Senkung des Abschaltenergieverlusts und praktisch zu einer Beseitigung des Nachlaufstroms. Die Gate-Einschaltladung (Qg) wurde so ebenfalls vermindert. Auch die bisherigen Techniken, die zur Verringerung der Lebensdauer führten, sowie die Ergänzung um eine N+-Pufferschicht zur Sammlung von Minoritätsladungen beim Abschalten, können zur Beschleunigung der Rekombinationszeit eingesetzt werden. Mithilfe dieser Verbesserungen lassen sich IGBTs mit Schaltfrequenzen bis 150 kHz betreiben, wie das bei den WARP- und WARP2-Bausteinen von International Rectifier der Fall ist.

Bausteinentwickler implementieren außerdem Maßnahmen zur Senkung des Einschaltwiderstands und zur Erhöhung der Stromdichte. Zu weiteren Entwicklungszielen gehört eine weitergehende Vereinfachung der Anforderung an die Gate-Ansteuerung.

WARP-IGBTs werden ohne negative Vorspannung angesteuert

Zur Verbesserung der IGBT-Leitungsperformance können sowohl der Einschaltwiderstand des MOSFETs als Teil des IGBTs als auch der Spannungsabfall im bipolaren PNP-Transistorbereich gesenkt werden. Da jedoch der IGBT-Emitter die gesamte Chipfläche bedeckt, ist die Effektivität der Injektion als auch der Leitungsabfall bereits wesentlich besser als bei einem Bipolartransistor derselben Größe. Der Spannungsabfall lässt sich nur durch eine Steigerung der Verstärkung des PNP-Transistors verbessern. Allerdings stehen Latch-up-Überlegungen und Einschränkungen in der Sperrpannungsbelastbarkeit den potenziellen Verbesserungen hemmend im Wege. Andererseits führen sowohl eine Vergrößerung der Chipfläche als auch der Zellendichte zu wertvollen Senkungen des Einschaltwiderstands des integrierten MOSFETs.

Bis noch vor kurzem benötigten IGBTs eine negative Vorspannung zur Ansteuerung, um ein ausreichendes Abschalten unter hohen dV/dt-Bedingungen in einer Halbbrückentopologie zu gewährleisten. Das machte die Ansteuerschaltung kompliziert und hinderte Entwickler daran, Standard-Gatetreiber-ICs einzusetzen. Die IGBTs von International Rectifier arbeiten mit einer positiven Gate-Ansteuerung, was die Hilfsstromversorgung vermeidet und die Regelschaltung vereinfacht. Integrierte 600-V- und 1200-V-Schaltungen zur Gate-Ansteuerung verwenden eine Bootstrap-Technik, wodurch die Ansteuerung dieser IGBTs einfach und robust wird.

Mit schnell schaltenden IGBTs Energie sparende Geräte entwickeln

Gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit gegenüber Kurzschluss und nahezu leistungslose Ansteuerung sind einige herausragende Eigenschaften des IGBT (Insulated Gate Biporar Transostor). Damit kommt er als Leistungskomponente in beispielsweise Frequenzumrichtern, Schaltnetzteilen, USV und Lampenvorschaltgeräten zum Einsatz. Doch den Vorteilen stehen auch Nachteile gegenüber, etwa eine typbedingte lange Abschaltzeit des IGBT und große Schaltverluste.

Aktuelle Weiterentwicklungen der Architektur und ein verbesserter Herstellungsprozess brachten nun Bausteingenerationen hervor, die im Betrieb höhere Schaltfrequenzen zulassen, einen geringeren Spannungsabfall haben und das Silizium besser nutzen. Mit diesem IGBT- Eigenschaften lassen sich kostensensitive Endprodukte in ihrer Systemleistung deutlich verbessern, dazu gehören neben Lampenvorschaltgeräte, Offline-Switcher und unterbrechungsfreie Stromversorgungen auch Energie sparende Konsumprodukte wie moderne, geregelte Waschmaschinen, Kühlschränke, Klimaanlagen und Induktionsherde.

*Satyavrat R. Laud ist Applications Engineer im Technical Assistance Center bei International Rectifier Corp., El Segundo/USA.

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