Leistungshalbleiter Bauelemente

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1 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Leistungshalbleiter Bauelemente Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

2 Halbleiterschalter in der Leistungselektronik wird der aktive Betrieb von Halbleiterbauelementen bewusst vermieden entweder ist die Spannung am Halbleiter ist 0 oder der Strom im Halbleiter ist 0 leider sind die Halbleiterbauelemente keine idealen Schalter! welche Forderungen muss man stellen? Schalter aus Schaltvorgang Schalter ein kleiner Sperrstrom schaltverlustarm kleiner Spannungsabfall bidirektionale Sperrung kurze Schaltzeiten bidirektionale Leitung hohe Sperrspannung Schaltzeitpunkt frei wählbar hohe Stromtragfähigkeit hohes du/dt keine Schutzbeschaltung hohes di/dt

3 Verluste in realen Leistungshalbleitern

4

5

6 IGBT Turn-Off with Snubber hard switching with snubber Gate voltage Gate voltage Collector voltage Collector current Collector voltage E off = 226µJ E off = 98µJ Collector current 400V, 20A, 125 C, R G = 9.1Ω current pops up but losses are still greatly reduced in the semiconductor the overall losses, however, increase

7 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Diode ( Thyristor, GTO, IGCT) Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

8 Kennlinie einer Leistungsdiode

9 Ausschaltverhalten einer Leistungsdiode

10 Thyristor - Aufbau A C A A

11 Kennlinie eines Thyristors

12 Triac

13 / GTO

14 GTO IGCT beides sind abschaltbare Thyristoren allerdings nach unterschiedlichen Philosophien GTO früher am Markt Abschaltvorgang : durch Umleiten eines Teils (ca. 30 %) des Laststroms über das Gate filigrane Struktur auf dem Chip IGCT (zu) spät am Markt Abschaltvorgang : durch Umleiten des gesamten Laststroms über das Gate sehr aufwändige Treiberschaltung

15 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Transistor Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

16 der bipolare Leistungstransistor

17 Einschaltverhalten eines bipolaren Leistungstransistors

18 Ausschaltverhalten eines bipolaren Leistungstransistors

19 Darlington-Schaltung Transistor in Sättigung U CE1 < U BE1 U BE1 = 0,7 V U BE2 = 0,7 V U CE1 = 0,3 V U CE2 = 0,7 V + 0,3 V = 1,0 V Transistor kann nicht in Sättigung gehen U CE2 >> U BE2 sehr große Durchlassverluste

20 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Feldeffekttransistor (FET) Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

21 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) Aufbau Kanal : lang und dünn hoher Innenwiderstand

22 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) Aufbau Kanal : immer noch dünn - aber nicht mehr so lang niedrigerer Innenwiderstand

23 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) parasitärer pnp-transistor

24 Feldeffekt-Transistor (MOSFET) parasitäre Kapazitäten

25 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen IGBT Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

26 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Aufbau

27 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Aufbau und Ersatzschaltbild bipolarer pnp-transistor Think of it as a MOSFET with low conduction loss.

28 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) parasitäre Kapazitäten

29 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) parasitärer (Latch-up-)Transistor

30

31 Voltage (V) On-State Voltage Comparison Same Die Size On-State Voltage vs. Current APT6038BLL: I D = 17A APT30GP60B: I C2 = 49A APT6038BLL (25 C) APT6038BLL (125 C) APT30GP60B (25 or 125 C) Current (A) MOSFET 125 C MOSFET 25 C IGBT IGBT has lower on-voltage above about 4 Amps. MOSFET conduction loss is sensitive to temperature, the IGBT is not. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

32 Power (W) Conduction Loss Comparison Same Die Size Conduction Loss vs. Current (125 C) APT6038BLL APT30GP60B MOSFET IGBT Current (A) IGBT has much lower conduction loss above about 4 Amps. IGBT has much better overload capability. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

33 Switching Loss: 54A MOSFET vs. 72A IGBT Power MOS 7 MOSFET Power MOS 7 IGBT V GS V GS E off = 1062 µj E off = 1058 µj Current Voltage Current Voltage Tail current APT6010B2LL, 400V, 50A, 125 ºC, 5 Ohms APT50GP60B, 400V, 50A, 125 ºC, 5 Ohms At 50A, the IGBT has lower conduction loss and lower switching loss. At less current, the MOSFET would have lower E off (no tail current). The IGBT is about half the size of the MOSFET lower cost. 33 TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

34 Frequency (khz) Application Comparison Hard Switched Boost Frequency vs. Current APT15GP60B APT6029BLL MOSFET IGBT Boost: Hard switched 400V, T J = 125 C, T C = 75 C, 5 APT15GP60: I C2 = 30A APT6029: I D = 21A MOSFET is 2.5 times larger than IGBT. IGBT has good overload capability Current (Amps) MOSFET is best at low current, very high frequency. IGBT is best at high current. IGBT is lower cost. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

35 Advantage of IGBTs Lower cost much smaller die size for same power. Excellent overload capability linear conduction loss versus current, very insensitive to temperature. Simple gate drive can replace MOSFETs positive only gate drive Highest speed IGBTs turn-on is the same as a MOSFET, turn-off is only slightly longer. Suitable for soft and hard switching zero voltage or reduced voltage turn-off not as good as MOSFETs. TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER

36 parallelschaltbare IGBTs zusätzliche Serien-Widerstände Halbleiterdesign mit integrierter Strecke mit positivem Temperaturkoeffizienten

37 Siliziumkarbid (SiC) besseres (schnelleres?) Schalten höhere Temperaturfestigkeit Spannungsabfälle? wird nicht auf ausrangierten Speicherfertigungsstraßen hergestellt Investitionskosten nicht vernachlässigbar

38

39 Lehrveranstaltung Leistungselektronik Grundlagen und Standard-Anwendungen Aufbau von Leistungshalbleitern Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

40 Seminar Robert Bosch Kolleg Leistungselektronik Leistungshalbleiter Aufbau- und Kühlungstechniken

41 Aufbau eines IGBTs

42

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44 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Bauformen

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