Schnelle IGBTs mit hohen UIS-Werten - All

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Schnelle IGBTs mit hohen UIS-Werten
IGBTs mit UIS-Eigenschaften, verbesserten Gate-Strukturen und geringen Einschaltverlusten sind
Stand der Technik. Ausführliche, numerische Simulationen ergaben, dass der UIS-Fehlermechanismus durch die vorhandene open-base pnp-Struktur des IGBTs gegeben ist. Durch Optimierung dieser
Struktur kann der durch den Avalanche-Effekt verursachte zweite Durchbruch selbst bei mehr als
10fachem Maximalstrom verhindert werden.
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Bild 1: Ausschaltkennlinien des SMPS II
IGBTs. Tj=125(C, Ic= 12A, Vge=15V,
Vce=390V, Eoff=204_J
Bild 2: Der SMPS II IGBT besteht einen UISTest mit 27(C, 5A und 650mJ. Ic=2A und
Vce= 200V per Quadrant.
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Schaltanwendungen, wie zum Beispiel unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Leistungsfaktorkorrekturen und anderen
getakteten Stromversorgungen verwenden. In diesen Applikationen
können induktive Spannungsspitzen Überspannungen erzeugen, die
wiederum Avalanche-Durchbrüche
verursachen und den IGBT beschädigen. Daher ist es besonders wichtig, diese Vorgänge zu verstehen
und den Widerstand des IGBTs gegenüber diesen sogenannten UISSituationen (unclamped inductive
switching) zu verbessern. Neuere
Untersuchnungen haben ergeben,
dass UIS-Fehler in IGBTs durch
Avalanche-Durchbrüche [1] oder
Stromaufheizungen [2] verursacht
werden. In der Vergangenheit verfügten die IGBTs über keine UIS-Sicherheit. Aber durch nicht-isothermische,
zweidimensionale, numerische Simulationen konnten wir uns ein
gutes Bild über die inneren Vorgänge
machen und das Problem lösen.
Man ist heute sehr bestrebt, die
Gate-Treiberschaltung zu vereinfachen, und zwar durch Verringerung
der Gate-Ladung und -Kapazitäten.
Neuere MOSFET-Generationen weisen eine geringere Gate-Ladung auf.
Zahlreiche Anwendungen benötigen den IGBT zusammen mit
schnellen Dioden in einem Gehäuse. Während der IGBT sich einschaltet, generiert die Diode den
Sperrerholstrom. Damit bestimmen
die Sperrerholeigenschaften der Diode die Höhe der Einschaltverluste
des IGBTs ganz entscheidend. Eine
Diode mit einem niedrigen Irrm wird
diese Einschaltverluste gering halten.
SMPS II IGBTs verwenden die
neueste Diodentechnologie – StealthGleichrichter als beigepackte (co-
pack) Dioden. Dadurch vermindern
sich die Einschaltverluste und das
EMI, und zwar aufgrund des ‘weichen’ Erholverlaufs der Stealthdioden.
. UIS Energy Density @ Failure (mJ/cm)
araus resultierte die Entwicklung neuer 600V IGBT-Produkte mit erstmals exzellenten
UIS-Spezifikationen bei maximalen
Strömen. Der SMPS II IGBT hat extrem niedrige Gateladungen – bis zu
60 Prozent weniger als SMPS IGBTs
der ersten Generation. Hinzu kommen eine geringere Plateau-Spannung und -Kapazität. Die SMPS II
IGBTs sind zudem schneller, dank
eines geringeren Eon der verwendeten Stealth-Diodentechnik.
Damit lassen sich diese Bauelemente effizient in hochfrequenten
Bild 4: UIS-Energiedichte in Abhängigkeit zur
UIS-Stromdichte eines IRF830 (500V MOS);
die simulierten IGBT-Werte sind für UIS optimiert. Hinzu kommen experimentell erfasste
SMPS II IGBT-Werte mit unterschiedlichen
PNP-Verstärkungen (Tj(start) =27(C).
Simulation und experimentelle
Ergebnisse
Hergestellt werden die 600V SMPS
II IGBTs mit einem standardisierten Fertigungsverfahren (two-layer
epitaxy and shallow junction selfaligned DMOS top side). Der 12A
IGBT weist ein BVCES im Bereich
von 610-700V bei 10mA/cm2 auf;
die VCE(sat) geht von 1,8 - 2,5V bei
12A, VGE=15V.
Dieser schnelle IGBT wurde mit begrenztem induktiven Schalten aktiviert. Die Ausschaltverluste liegen
unter 210µJ bei 125°C (siehe Bild 1).
Diese Ausschaltverluste sind im
Markt derzeit die geringsten.
Ungeklemmtes, induktives Schalten:
Der 12A SMPS II IGBT wurde einem UIS-Test gemäß [1] ausgesetzt. Das Bild 2 veranschaulicht,
wie dieser IGBT auf den UIS-Test
Auto & Elektronik 6/2002
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von 5A, 650mJ reagiert. Diese Testbedingung entspricht mehr als dem
doppelten Stromwert eines derzeit
verfügbaren DMOS mit vergleichbarer, aktiver Fläche. Das Bild 3
zeigt den gleichen IGBT, der dem
UIS-Test von 50A, 365mJ ausgesetzt ist! Es ist ganz klar erkennbar,
dass die IGBTs extrem robust sind.
Die Abbildung 4 vergleicht die gemessenen UIS-Werte eines 600V
PT IGBTs mit denen eines kommerziell verfügbaren 500V VertikalLeistungs-MOSFETs (IRF830); in
Abhängigkeit der Stromdichte.
Geringe Gate-Ladung:
IGBTs weisen aufgrund der kleineren Diefläche in der Regel geringere
Gate-Ladungen auf als MOSFETs.
Bei den SMPS II IGBTs haben wir
den Ladungswert weiter gesenkt,
um die Gate-Treiberschaltung zu
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vereinfachen. Der SMPS II IGBT
verwendet eine patentierte Gatestruktur, die bei der Gateladung gegenüber dem SMPS IGBT eine
60%ige Verminderung aufweist.
In der Abbildung 5 wird die GateLadungskennlinie eines SMPS mit
der eines SMPS II IGBTs verglichen. Letzterer hat eine 3x kleinere
Gateladung als der SMPS IGBT
(25nC/80nC). Es ist eindeutig, dass
die ‘Miller’-Ladung erheblich reduziert wurde. Die SMPS II IGBTs
bieten zudem eine wesentlich geringere Plateauspannung als Standard SMPS IGBTs (6-7V/8-9V). Die
SMPS II IGBTs verfügen zudem über
signifkant geringere Eingangs- und
Rückwirk-Kapazitäten als die SMPS
IGBTs der ersten Generation. Die
Kapazitäts/Spannungslinien beider
IGBTs werden in Bild 6 verglichen.
Die Eingangskapazität des SMPS II
Bild 3: Kapazitätskennlinien für 12A SMPS
und SMPS II IGBTs. Man beachte die signifikante Verminderung von Cres.
IGBTs ist weniger als die Hälfte des
SMPS IGBTs (1.3nF/ 2.8nF @0V).
Die Reduzierung von Cres (MillerKapazität) ist noch beeindruckender
– sie ist 5x geringer als die eines handelsüblichen SMPS IGBTs.
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