Überblick über die IGCT Technologie

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1 Thomas Stiasny, Eric Carroll ABB Semiconductors AG, Fabrikstrasse 3, CH-5600 Lenzburg, Schweiz ABSTRACT Der Drang zu immer höheren Leistungen und höheren Frequenzen in den verschiedenen Bereichen der Hochleistungselektronik, vom Mittelspannungsantrieb (MVD) bis zum Energiemanagementsystem, äußert sich in dem Bedürfnis nach Halbleiterelementen mit scheinbar unvereinbaren Eigenschaften: niedrige Kosten, hohe Effizienz und hohe Zuverlässigkeit. Aus dem großen Zoo von Leistungshalbleiterschaltern, die existieren oder vorgeschlagen wurden, fällt die Wahl bei Spannungen über 1000V heute auf IGBTs oder IGCTs. Da der seit 1997 verfügbare IGCT weniger bekannt ist als der 1981 eingeführte IGBT, soll der jüngere IGCT hier beschrieben werden. FUKTIOSWEISE Der Leistungsteil des Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT) [1] ist ein Vierschichtelement, das lateral wie ein GTO-Thyristor (Gate Turn-off Thyristor) aufgebaut ist, aber sehr niederinduktiv in seine Gateansteuerung integriert ist. Die niederinduktive Kopplung des Gates an die Ansteuerung erlaubt es, die Thyristorstruktur mit Verstärkung eins abzuschalten, in dem vor dem eigentlichen Abschaltvorgang der Strom durch das Element von der Kathode auf das Gate kommutiert wird, getrieben durch eine 20V Quelle der Gateansteuerung [2] (siehe Abb. 1b). Das bedeutet, daß dabei der Thyristor in seiner Funktion in einen Transistor verwandelt wird. In seinem vertikalen Aufbau profitiert der IGCT von den aus der IGBT Technologie bekannten Techniken zur Verlustreduktion, wie Buffer Layer [3] und transparentem Anodenemitter. Des weiteren erlaubt der IGCT eine antiparallele Diode monolithisch zu integrieren [4]. Das Ergebnis ist ein Schalter, der sich in seinem Blockierverhalten dynamisch und statisch wie ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verhält (open-base pnp-transistor) und damit beim Abschalten (siehe Abb. 2) auch die gleichen Verluste generiert wie ein Transistor. In seinem Leitverhalten (siehe Abb. 1a) ist der IGCT jedoch ein Thyristor, mit dem Vorteil der niedrigen Durchlassspannung. Der Grund für die niedrige Durchlassspannung ist die im Vergleich zum Transistor höhere Ladungsträgerplasmadichte, die von den beiden Emittern erzeugt wird (pnp- und npn-transistor). A node Anode VD [kv] IA [ka] Gate I GK I AK Gate V AK Thyristor ITGQ x VDM Anodenspannung Anodenstrom IA Transistor VD Cathode - V GK Kathode IGCT beginnt zu blockieren Gatespannung VGK 0 Abb. 1a: Leitender IGCT (Thyristor) Abb. 1b: Sperrender IGCT (Transistor) VGK [V] Zeit [µs] Abb. 2: Abschaltverhalten des IGCTs. Der IGCT schaltet wie ein Transistor ab und generiert damit auch gleich viel Abschaltverluste (E off). In der Leitungsphase arbeitet der IGCT als Thyristor, in der Abschalt- und Blockierphase wie ein pnp-transistor und in der Einschaltphase im Modus eines npn-transistors [5]. Wie ein Transistor kann der IGCT ohne du/dt-snubber betrieben werden. Im Gegensatz zu einem Transistor ist beim IGCT eine Steuerung von Einschalt- bzw. Ausschaltgeschwindigkeit nicht möglich. Tab. 1 vergleicht die wesentlichen Eigenschaften von IGCT und IGBT für die Anwendung in einem spannungsgeführten Umrichter (siehe Abb. 3a für IGCT-Umrichter bzw. Abb. 3b für IGBT-Umrichter). Elektronik Journal, Seite 1 von 5 Juni 2001

2 Tab. 1: Vergleich der charakteristischen Eigenschaften (Messwerte) von 4.5kV IGBTs und IGCTs in der Umgebung eines spannungsgeführten Umrichters (siehe Abb. 3a bzw. 3b) Schalter- Eigenschaften bei 3 ka, 3 kv, 125 C IGBT (3 x 1500 A Module) IGCT 1 x 4000 A Scheibenzelle Durchlassspannung 3.7 V 2.2 V Abschaltverluste 15 Ws 17 Ws Einschaltverluste 22 Ws 1.2 Ws Leistungsverbrauch der 15 W 75 W Gateansteuerung(en) Kurzschlußstrom selbst limitierend externe Begrenzung (Drossel) du/dt-snubber nein nein di/dt-snubber nein ja Leistungshalbleiter diskrete Chips monolithischer Wafer Art der Kontaktierung Lot / Drahtbond (*) Druckkontakt (*) für Anwendungen mit hoher Lastwechselanforderung werden auch IGBTs mit Druckkontakt eingesetzt FW D 1 S 1 S 3 S 5 R snubber Lsnubber S1 S3 S5 Dclamp Ls V DC VDC S 2 S 4 FW D 6 S6 S2 S3 S6 Cclamp Abb. 3a: Typischer spannungsgeführter IGCT-Umrichter. S1 S6: rückwärtsleitende IGCTs Abb. 3b: Typischer spannungsgeführter IGBT-Umrichter, S1 S6: IGBTs, FWD1 FWD6: Freilaufdiode EISCHALT-, LEITUGS- UD ABSCHALTVERLUSTE Beim Vergleich der beiden Schaltertypen IGCT und IGBT in Tab. 1 schneidet der IGCT bei der 4.5kV Spannungsklasse klar besser ab. Während die Abschaltverluste bei beiden Schaltertypen ähnlich sind (beide Schaltertypen schalten als open-base Transistoren ab), unterscheiden sie sich in ihren Leitungsverlusten um einen Faktor 2. Bei den Einschaltverlusten liegt zwischen den beiden Typen sogar ein Unterschied bis zu einem Faktor 20. Grund dafür ist der di/dt-snubber, der für den Betrieb eines IGCT-Umrichters notwendig ist (siehe Abb. 4). Dieser di/dt-snubber speichert während des Einschaltens des IGCTs in der Drossel L Snubber Energie, die dann in R Snubber dissipiert wird bzw. die unvermeidlichen Halbleiterabschaltverluste (20 30 % der in der Drossel gespeicherten Energie) liefert. Beim IGBT-Umrichter hingegen wird die di/dt-begrenzung durch das lineare Ansteuern des Schalters erreicht (Verstärkerbetrieb), was jedoch zur Folge hat, daß die Einschaltverluste im IGBT selbst anfallen. Abb. 4: Kombinierter Spannungsbegrenzer und di/dt-snubber [10]. L s L snubber R snubber D snubber V dc-link C clamp IGCT FWD Last Abb. 4 zeigt die vereinfachte Schaltung einer hase, die die für die Einschaltkurven (Abb. 5) relevant ist. Die di/dt-begrenzung ist notwendig, um die Rückstromspitze I rr der abkommutierenden bipolaren Freilaufdioden (FWD) während des Einschaltens des Schalters zu limitieren. Die verfügbare Diodentechnologie ist für beide Elektronik Journal, Seite 2 von 5 Juni 2001

3 Schalterkonzepte die gleiche. Das maximal erlaubte di/dt ist gegeben und wird beim IGBT durch die Ansteuerung eingestellt. Bei thyristorartigen Strukturen ist nur eine externe di/dt-begrenzung möglich (Drossel). Abb. 5 zeigt das stilisierte Einschaltverhalten von IGCT bzw. IGBT in der jeweiligen Schaltung (Abb. 3a bzw. 3b). I Last V DC VSchalter oder L= VDC ISchalter Abb. 5 Stilisiertes Einschaltverhalten von IGCT bzw. IGBT in der jeweiligen Schaltungsumgebung (Abb. 3a bzw. 3b). VSchalter = f(t) I pk di/dt ein I FWD t ein Irr t 0 t1 t 2 t 3 Das di/dt ein in Abb. 5 ist die zulässige Stromsteilheit für das Abkommutieren der Freilaufdiode (FWD), I Last ist der Laststrom. Während der Zeit t ein (=t 2 -t 0 ) liegt die DC-Zwischenkreisspannung (V DC ) über dem IGBT (Gate kontrolliert, Abb. 3b) bzw. über der Drossel (L Snubber, Abb. 3a bzw. Abb. 4) an. Da die Freilaufdiode eine endliche Sperrverzögerungszeit hat (was der Grund für die notwendige di/dt-begrenzung ist), bleibt die Last bis zur Zeit t 2 kurzgeschlossen. Die Einschaltverluste, die sich aus der Dimensionierung der Schaltung (z.b. wegen der Freilaufdiode) ergeben, sind dann: Dagegen sind die halbleiterspezifischen Verluste: E Schaltung) = ( t t ) V ( I + I ) / 2 (1) ein ( 2 0 DC Last rr t3 E Halbleiter) I V V ( t) dt (2) ein ( Last 0 Dabei hängt V Schalter (t) von der Charakteristik des Schalters ab. So steigt z.b. die Zeitkonstante der fallenden Spannung (Abb. 5) bei einem IGBT mit seiner Kurzschlußfähigkeit, und die wiederum hängt von der Zwischenkreisspannung V DC ab. In Gl. (2) ist V 0 = V DC für den IGBT, jedoch V 0 =0 für den IGCT, da bei diesem die Spannung über L Snubber anliegt. Die beiden Gleichungen gelten sowohl für IGBTs ohne di/dt-snubber als auch für IGCTs mit di/dt-snubber. Siehe Tab. 2. t2 Schalter Tab. 2: E ein (Schaltung) nach Gl. (1) E ein (Halbleiter) nach Gl. (2) Vergleich der Einschaltverluste von IGBTs ohne di/dt-snubber mit denen von IGCTs mit di/dt-snubber IGBTs ohne di/dt-snubber (Abb. 3b) (hohe Verluste für Typen mit hohem SCSOA) IGCTs mit di/dt-snubber (Abb. 3a) zu ca. 75% in R Snubber dissipiert; der Rest liefert einen Teil der Abschaltverlusten, (siehe Abb. 5) (aber vernachlässigbar klein) Für eine 3kA-Anwendung (drei Module parallel geschaltet) mit einem tolerierbaren di/dt von 750 A/µs pro Modul und bei einer Zwischenkreisspannung von 3kV, erhält man alleine nach Gl. (1) Verluste von ca. 11Ws pro Einschaltvorgang (abhängig vom I rr der Diode), oder 5.5kW bei 500Hz. ach Gl. (2) (und gemäß Messung) verdoppeln sich diese Verluste (+ 5.5kW), je nach SCSOA-Design des IGBTs (Short Circuit Safe Operating Area). Die Abschaltverluste betragen zusätzlich 7.5kW. Dazu kommen dann noch die Durchlassverluste, die (bei einem Einschaltverhältnis von α = 0.3) ca. 2kW für den IGCT und 3.3kW für den IGBT betragen würden. Für dieses Beispiel würde deshalb zweimal mehr Silizium für die IGBT-Lösung (Abb. 3b) eingesetzt werden müssen als für eine Lösung mit IGCTs (Abb. 3a), hauptsächlich wegen der anfallenden Einschaltverluste im Leistungsschalter. Die nominale Dauerschaltfrequenz und die Spitzenschaltfrequenz, die für die Bewältigung von Überstromsituationen oder zur exakten Drehmomentsteuerung notwendig ist, sind von den Gesamtverlusten im Halbleiterschalter und dessen thermischen Widerstand abhängig. Je niedriger die Leitungsverluste sind, desto mehr Schaltverluste dürfen Elektronik Journal, Seite 3 von 5 Juni 2001

4 bei einer gegebenen Kühlung anfallen. Für 6kV IGCTs wurde gezeigt, daß Schaltfrequenzen bis 25kHz (10 ulse) bei geschaltetem ominalstrom möglich sind, nicht zuletzt wegen der niedrigen Verluste. AWEDUGE Abb. 6a zeigt ein 30MW Energiemanagementsystem, das aus modularen IGCT-hasenbausteinen (siehe Abb. 6b) zusammengesetzt ist. Dieser Wechselrichter hat einen Wirkungsgrad von 99.6% und eine Schaltleistungsdichte von 27MW/m 3 auf der Ebene des hasenbausteins. Abb. 6a: 30 MW IGCT ower Management System Abb. 6b: hasenbaustein 27 MW/m 3 Leistungsdichte Heute im Betrieb befindliche IGCT-Anlagen reichen von universellen Mittelspannungsantriebe (0.3 bis 5 MW) über 5 MW DVRs (Dynamic Voltage Restorers), DUSs (Dynamic Uninterruptable ower Supplies) und 22 kv Schnellschalter, 20 MW Walzwerkantriebe, 25 MW SMES (Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme ) bis zu 100 MW etzkupplungen. Gegenwärtige Entwicklungen decken neu Anwendungen wie Leistungsregler für Windenergie, Induktionsöfen, STATCOMs (statische Blindleistungskompensatoren), Traktionsumrichter und Zerhacker. Dieser breite Leistung- und Anwendungsbereich wird durch IGCTs mit nur vier Gehäusegrößen und ohne arallelschaltung abgedeckt. Seit 1995 wurden IGCT-Anlagen mit einer Gesamtleistung von über 1 GW in Betrieb genommen und die Inbetriebsetzung von Anlagen mit weiteren 1 GW Leistung ist im Gange. IGCT RODUKTALETTE Die heutige IGCT roduktpalette besteht aus rückwärts blockierenden, asymmetrischen und rückwärtsleitenden Elementen der Spannungsklassen 4.5 und 6kV (Leistungsdaten siehe Tab. 3). Tab. 3: Übersicht über die IGCT roduktpalette Rückwärtsleitend Rückwärts blockierend Asym. V DRM Si 38 mm 51 mm 68 mm 91 mm 51 mm 68 mm 91 mm 4500 V I TGQ 340 A 640 A 1100 A 2250 A / / 4000 A 6000 V I TGQ 275 A 520 A 910 A 1820 A 800 A 1500 A 3500 A Eine neue Generation von anwendungsspezifischen IGCTs Der erste IGCT (4kA, 4.5kV asymmetrischer Typ, lanciert 1997) fand seinen Weg in viele verschiedene Anwendungen. Zukünftig wird dieser IGCT in zwei weiteren applikationsspezifischen Versionen verfügbar sein (siehe Tab. 4 und Abb. 7). Durch unterschiedliche Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer (Bestrahlung) wurde das Verhältnis zwischen Leitungs- und Schaltverlusten des Halbleiters für verschiedene Anforderungen von Anwendungen optimiert. Wegen des erweiterten Anwendungsbereichs mußte die Gateansteuerung, ein integraler Bestandteil des IGCTs, angepaßt werden, um den verschiedensten Anforderungen wie sie von spannungs- und Elektronik Journal, Seite 4 von 5 Juni 2001

5 stromgeführten Umrichtern, Reihen und nicht Reihenschaltung, ieder- und Hochfrequenzanwendungen, sowie von Traktionsanwendungen (Siliziumtemperaturbereich -40 C 125 C) benötigt werden, Rechnung zu tragen. Dies ist nicht zuletzt deshalb möglich, weil der IGCT keine Steuerung der Stromsteilheit kennt. Die Gateansteuerung ist damit im Gegensatz zum IGBT standardisierbar unabhängig vom Halbleitertyp, der Spannungsklasse oder der Applikation. Bis zu 6kV ist das Gehäuse für alle Typen gleich und führt so zur Vereinfachung und Standardisierung in der roduktion sowie in der Beschaffung der Einzelteile. Zusammen mit dem monolithischen Wafer tragen diese Eigenschaften des IGCTs zu hoher Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz in der Hochleistungselektronik bei. Tab. 4: - Übersicht über die drei verschiedenen Versionen des asymmetrischen 4.5kV IGCTs und seine typischen Anwendungen. Typ iedrige Leitungsverluste (Typ 12) iedrige Gesamtverluste (Typ 10) iedrige Schaltverluste (Typ 11) Artikelnummer 5SHY 35L4512 5SHY 35L4510 5SHY 35L4511 Siliziumtemperaturbereich -40 C 125 C -40 C 125 C 10 C 125 C Durchlaßspannung 2V 2.7 V 3.5 V V 4 ka, 125 C Abschaltverluste E 4 ka, 2.8 kv, 125 C 37 Ws 22 Ws 17 Ws Typische Anwendung AC/DC Schnellschalter Traktion, Energiemanagement Antriebe mit hohe Taktfrequenz Abb. 7 Die neuen Versionen des asymmetrischen 4.5kV IGCTs (5SHY 35L4510/11/12) sind aus einer neuen universellen Gateansteuerung (geeignet für strom- und spannungsgeführte Anwen-dungen) und den jeweiligen Leistungshalb-leitern zusammengesetzt. Die Typen 5SHY 35L4510/12 sind bis 40 C einsetzbar, Typen 5SHY 35L4510/11 erlauben WM Schaltfrequenzen bis 1000Hz. Alle drei Typen haben AC-Spannungsversorgung, Fiberoptik-ansteuerung und rückmeldung, eine LED Statusanzeige, sind geeignet für Reihenschaltung und erfüllen die IEC Vibrationsanforderungen. ZUSAMMEFASSUG Innerhalb von nur fünf Jahren im Feldeinsatz und nur vier Jahre nach seiner Markteinführung hat sich der IGCT als universeller Leistungsschalter für Energiemanagement, Traktion, und Industrieantriebe sowohl in der stromgeführten als auch in der spannungsgeführten Topologie etabliert. Die otwendigkeit einer Komponenten- als auch lattform-standardisierung wird durch die Verwendung von Standardwafern erreicht, die nur noch durch eine nachträgliche Ladungsträgerlebensdauereinstellung für ihre jeweilige Anwendung massgeschneidert werden. Gateansteuerung und Kapselung des Leistungshalbleiters sind für Reihenschaltung und nicht Reihenschaltung (mit und ohne du/dt-snubber) sowie Spannungen bis 6kV geeignet. Dadurch wird eine roduktstandardisierung für den Leistungshalbleiterhersteller bei gleichzeitiger hoher Flexibilität für den Anwender erreicht. Diese beiden Aspekte sind essentiell um zuverlässige und kostengünstige Designs in der Hochleistungselektronik zu erzielen. Mit nur vier Standardgehäusen und Gateansteuerungen sowie der Möglichkeit zur Reihenschaltung werden heute Anwendungen im Leistungsbereich 0.3 bis 300MW abgedeckt. REFEREZE [1] Integrated Gate-Commutated Thyristors: A ew Approach to High ower Electronics, - E. Carroll, S. Klaka, S. Linder, ress Conference, IEMDC Milwaukee, May 20, 1997 [2] High-ower Hard-Driven GTO Module for 4.5 kv/3 ka Snubberless Operation, - H. Grüning et al., CIM 96, ürnberg, May 1996 [3] unchthrough Type GTO with Buffer Layer and Homogeneous Low Efficiency Anode Structure - S. Eicher, F. Bauer, A. Weber, H.R. Zeller, IEEE Conf roc pp , 1996 [4] A ew Generation of Asymmetric and Reverse Conducting GTOs and their Snubber Diodes, - A. Weber,. Galster, E. Tsyplakov, CIM 97, ürnberg, 1997 [5] The Integrated Gate-Commutated Thyristor: A ew High-Efficiency, High-ower Switch for Series or Snubberless Operation S. Klaka, M. Frecker, H. Grüning Elektronik Journal, Seite 5 von 5 Juni 2001