6 Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT)

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1 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik 6 Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) 6.1 Funktisprinzip Der IGBT ist eine Kombinati aus MOSFET und BJT, der die Vorteile beider Elemente vereinigt und die Nachteile zumindest abschwächt. Da der IGBT ausschließlich in der Leistungselektrik im Schalterbetrieb eingesetzt wird und dabei die Verlustleistung eine zentrale Rolle spielt, wird er hauptsächlich in der Variante mit n-kanal verwendet. Die Durchlassverluste eines Leistungs-MOSFET nehmen bei einer Auslegung des MOSFETs für größere Sperrspannungen drastisch zu. Dies liegt vor allem am Bahnwiderstand der schwach dotierten n - -Schicht, die mit zunehmender Sperrspannung immer dicker werden muss, damit die Durchbruchfeldstärke nicht überschritten wird. Durch einen zusätzlichen pn-übergang kann die n - -Schicht wie bei einer Leistungsdiode mit Ladungsträgern überschwemmt werden und der Widerstand dieser Schicht kann drastisch reduziert werden: G E G Kanal n p n - n p Diese Struktur wird als IGBT bezeichnet, da sie schaltungstechnisch einem pnp- Transistor entspricht, dessen Basisstrom v einem n-kanal-mosfet gesteuert wird. Unglücklicherweise ist durch die beim IGBT üblichen Anschlussbezeichnungen der physikalische Emitter des pnp-transistors der Kollektor des IGBT und der physikalische Kollektor des pnp-transistors ist der Emitter des IGBT. Wie beim Leistungs-MOSFET existiert ein parasitärer npn-transistor, der durch einen Kurzschluss zwischen seiner Basis und seinem Emitter am Einschalten gehindert werden muss. Dieser Kurzschluss erfolgt wie beim Leistungs-MOSFET durch den Emitter-Metallktakt. Das Einschalten des parasitären npn-transistors ist beim IGBT noch kritischer als beim Leistungs-MOSFET, da der npn-transistor zusammen mit dem pnp-transistor einen Thyristor bildet, der nicht mehr abgeschaltet werden kann, wenn er gezündet ist (s. Kap. 7). Dieser als Latch-up bezeichnete Effekt führt zur Zerstörung des IGBT und muss durch Einhaltung der im Datenblatt angegebenen Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzen vermieden werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Struktur zu optimieren, auf die hier aus Zeitgründen nicht eingegangen werden kann. Die beiden Hauptrichtungen sind die N-Punch-Through (NPT)-Struktur, bei der die RLZ im Sperrbetrieb komplett durch die n - -Schicht aufgenommen wird und die Punch-Through (PT)-Struktur, bei der die RLZ sich in eine zusätzliche höher dotierte n-schicht unter der n - -Schicht ausdehnt. 6-1 tw EBE_6.doc

2 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik 6.2 Kennlinien und Kenngrößen U G I U G I U GE I G G E I E U E U GE I G G E I E U E Im Normalbetrieb ist beim n-kanal-igbt U GE 0 und U E 0. Der Kollektorstrom I und der Emitterstrom I E sind beim n-kanal-igbt im statischen Betrieb positiv. Der Gatestrom I G ist im statischen Betrieb 0. Übertragungskennlinienfeld: Ausgangskennlinienfeld. I Diodenbetrieb U E U GE - U th U GE typ V U GE2 U GS1 Transistorbetrieb U E U GE - U th U GE1 U th U GE U th U GE U th U E 6-2 tw EBE_6.doc

3 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik Zur Bildung des Kanals muss die Gate-Emitter-Spannung eine Schwellenspannung U th überschreiten. Unterhalb der Schwellenspannung fließt zwischen Kollektor und Emitter kein nennenswerter Strom. Die Kollektor-Emitter-Spannung fällt an der Basis- Kollektor-Diode des pnp-transistors ab und kann sehr hohe Werte erreichen (bis ca. 8kV). Dies ist der Auszustand des IGBT im Schalterbetrieb. Wenn die Schwellenspannung überschritten ist und die Kollektor-Emitter-Spannung gering ist, befindet sich der MOSFET im Widerstandsbetrieb und schließt die Basis- Kollektor-Diode des pnp-transistors kurz. Der Kollektorstrom hängt in diesem Betrieb mit der Diodenkennlinie der Basis-Emitter-Diode des pnp-transistors v der Kollektor-Emitter-Spannung ab. Dieser Betrieb ist der Ein-Zustand im Schalterbetrieb. Da die Kollektor-Emitter-Restspannung wegen der Diodenkennlinie nur schwach mit dem Kollektorstrom zunimmt, hat der IGBT bei hohen Kollektorströmen einen deutlichen Vorteil gegenüber dem MOSFET und kann Ströme bis 5kA schalten. Die Kollektor-Emitter-Restspannung U E ist im Datenblatt für verschiedene Kollektorströme angegeben. Der Strom, ab dem ein IGBT die geringere Durchlassspannung besitzt als ein MOSFET vergleichbarer Fläche, ist umso niedriger je höher die geforderte Sperrspannung sein muss. Für die Parallelschaltung v IGBTs ist die Temperaturabhängigkeit v U E wichtig. Bei NPT-Strukturen nimmt U E mit der Temperatur zu, so dass solche IGBTs ohne weitere Maßnahmen parallel geschaltet werden können. Bei PT- Strukturen nimmt U E mit der Temperatur ab, so dass eine Parallelschaltung nicht ohne weiteres möglich ist. Für größere Kollektor-Emitter-Spannungen geht der Kanal in den Abschnürbetrieb und der pnp-transistor in den aktiven Betrieb, so dass der Kollektorstrom wie beim BJT und MOSFET praktisch unabhängig v der Kollektor-Emitter-Spannung wird. Die Größe des Kollektorstromes bei einer gegebenen Gate-Emitterspannung ergibt sich theoretisch aus der Multiplikati des beim MOSFET abgeleiteten Kanalstromes mit der Stromverstärkung des pnp-transistors. Theoretisch ergibt sich somit wie beim MOSFET eine näherungsweise quadratische Übertragungskennlinie. Da der IGBT ausschließlich als Schalter eingesetzt wird, wird dieser Kennlinienbereich aber nur beim Schaltvorgang durchlaufen. Da die Bodydiode des MOSFET in Reihe zu der Basis-Emitter-Diode des pnp- Transistors liegt, hat der IGBT prinzipiell eine Sperrfähigkeit im Rückwärtsbetrieb für U E <0. Diese Sperrfähigkeit ist jedoch begrenzt, da die Sperrspannung am rückseitigen pn-übergang aus technologischen Gründen (fehlende Randstrukturen ermöglichen Randüberschläge) begrenzt ist. Häufig wird im Gehäuse des IGBT eine optimierte schnelle Soft-Recovery-Diode parallel zum IGBT geschaltet, die in Brückenschaltungen als Freilaufdiode dient. 6-3 tw EBE_6.doc

4 * :\Daten\Vorlesungen\Ebe\Ebe_Vorlesung_ws1516\Ebe_LTspice_ws1516\Ebe_PSpi... Date/Time run: 12/14/115 14:36:51 Temperature: 27.0 (A) Kennlinienfeld_IRG4B10_Uebertragung.dat 10A UE=50V 8A UE=5V 6A UE=2V 4A 2A 0A 0V 2V 4V 6V 8V 10V I(I) V_UGE Date: December 14, 2015 Page 1 Time: 14:38:42

5 * \\tsclient\d\vorlesungen\ebe\ebe_pspice\pspice_kap_7\kennlinienfeld_irg4b... Date/Time run: 12/30/113 19:49:13 Temperature: 27.0 (X) Kennlinienfeld_IRG4B10_Ausgang.dat 10A UGE=15V 8A UGE=10V 6A UGE=7.3V 4A 2A UGE=5.8V 0A 0V 2V 4V 6V 8V 10V I(I) V_UE Date: December 30, 2013 Page 1 Time: 19:50:55

6 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik 6.3 Schaltverhalten Der ausgeschaltete Zustand wird durch U GE 0 realisiert. Wegen des geringen Sperrstromes in diesem Zustand verhält sich der Schalter nahezu ideal. Als eingeschalteter Zustand wird der Widerstandsbetrieb des MOSFET-Kanals verwendet, d.h. die Gate-Emitter-Spannung wird so hoch gewählt (typ V), dass die Kennlinie im Ausgangskennlinienfeld eine Diodenkennlinie ist. Die Restspannung am IGBT beträgt in diesem Zustand U E und ist für typische Kollektorströme im Datenblatt angegeben. Die dadurch verursachte Durchlass-Verlustleistung beträgt: P V U E I Bei einer ohmschen Last gilt: I U b U R L E U R b L Bei einer periodisch geschalteten induktiven Last ( L RL U U U ) mit Freilaufdiode gilt: b E b, wenn für die Dauer t des -Zustands gilt: t RL RL I I U U D U 1 D b E F Ub t D beim Schalten mit Per. T S und D RL RL TS U F : Durchlassspannung der Diode bei I Das Einschaltverhalten ist sehr ähnlich zum Leistungs-MOSFET und wird durch die Aufladung der Kapazitäten GE und G bestimmt. Wie beim MOSFET hängt die Einschaltzeit wesentlich vom Innenwiderstand R q der Ansteuerquelle ab. Die Restspannung U E ist jedoch bei typischen Innenwiderständen R q auch nach voller Aufladung der Gatekapazitäten noch höher als der statische Wert. Der endgültige Wert v U E wird erst erreicht, wenn die Basis des pnp-transistors mit Ladungen überschwemmt ist (typ. s). Dieser zusätzliche Verlust ist gegen die übrigen Verluste jedoch unwesentlich. Das Ausschaltverhalten des IGBT weicht stark vom MOSFET ab und stellt eine wesentliche Begrenzung der möglichen Schaltfrequenz dar. Die Ursache dafür ist die Ladungsspeicherung in der Basis des pnp-transistors. Beim Ausschalten kann der Kanal zwar sehr schnell innerhalb der durch die Kapazitäten bestimmten Zeit (typ. 100ns) abgeschaltet werden, der pnp-transistor ist jedoch aufgrund seiner überschwemmten Basis weiterhin leitfähig. Die Spannung am IGBT kann deshalb nur in dem Maße zunehmen wie die Basis durch Abfluss der Ladungsträger die sich verbreiternde RLZ aufnehmen kann. Die während des Spannungsanstiegs auftretende Verlustenergie kann durch weitere Verringerung v R q nicht mehr verkleinert werden. Auch nach vollständiger Ausbildung der RLZ befindet sich noch eine beträchtliche Restladung in der Basis. Die Rekombinati dieser Restladung führt zu einem sog. Schweifstrom (tail current), der nur sehr langsam (typ. in einigen s) zurückgeht. Obwohl der Schweifstrom meist relativ klein ist, verursacht er trotzdem beträchtliche Verluste, da die Kollektor-Emitter-Spannung in dieser Phase bereits den vollen Wert besitzt. 6-4 tw EBE_6.doc

7 * \\tsclient\d\vorlesungen\ebe\ebe_pspice\pspice_kap_7\schaltverhalten_irg4... Date/Time run: 12/30/113 19:55:12 Temperature: 27.0 (AA) Schaltverhalten_IRG4B10_ohmsche_Last.dat 10V 0V 40V V(GE) 0V 4.0A V(E) 0A 25W I(I) SEL>> 0W 0s 1.0us 2.0us 3.0us 4.0us V(E)*I(I) Time Date: December 30, 2013 Page 1 Time: 19:56:32

8 * \\tsclient\\daten\ebe_pspice_kap_6\schaltverhalten_irg4b10_ind_last_mfd... Date/Time run: 12/14/115 14:45:49 Temperature: 27.0 (D) Schaltverhalten_IRG4B10_ind_Last_mFD_ideal.dat 20V Rq=50 Rq=200 0V 500V V(GE) 0V 10A V(E) 0A 4.0KW I(I) 0W 2.5m V(E)*I(I) SEL>> 0 0s 1.0us 2.0us 3.0us 4.0us S(V(E)*I(I)) Time Date: December 14, 2015 Page 1 Time: 14:49:15

9 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik Insgesamt sind die Ausschaltverluste wesentlich höher als die Einschaltverluste, auch wenn bei induktiven Lasten bei den Einschaltverlusten noch der Rückstrom der Freilaufdiode berücksichtigt werden muss. Im Datenblatt ist die Verlustenergie E V S für einen Ein- und Ausschaltvorgang bei einer typischen Kfigurati angegeben. Mit der Schaltfrequenz f S erhält man daraus die Schaltverlustleistung: S S P E f V V S Zusammen mit der Durchlassverlustleistung P V und der bei den Umgebungs- und Kühlbedingungen zulässigen Gesamtverlustleistung P Vmax ergibt sich die maximal mögliche Schaltfrequenz: PV max PV fmax S E V Jeder IGBT realisiert einen Kompromiss zwischen minimalen Durchlassverlusten und minimalen Schaltverlusten. Der IGBT ist durch die Schaltverluste auf Frequenzen bis max. 100kHz beschränkt. Typische Schaltfrequenzen liegen bei ca. 20kHz. Ersatzschaltbild des IGBT als Schalter: 6-5 tw EBE_6.doc

10 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik 6.4 Anwendungen Einphasiger Wechselrichter Das IGBT-Paar X1 und X2 wird im Gegentakt jeweils eine halbe Periode eigeschaltet. In der Praxis muss beim Umschalten noch eine Schutzzeit eingefügt werden, in der beide IGBT ausgeschaltet sind, um einen Kurzschluss der Betriebsspannung U 0 zu verhindern. Dadurch entsteht am Punkt 1 eine Rechteckspannung V(1), die zwischen 0 und U0 mit der Periode T schwingt. Das IGBT-Paar X3 und X4 wird ebenfalls im Gegentakt jeweils eine halbe Periode eingeschaltet, jedoch um T/2 gegenüber dem Paar X1 und X2 verschoben. Dadurch entsteht am Punkt 2 eine Rechteckspannung V(2), die zwischen 0 und U0 mit der Periode T schwingt und gegenüber der Rechteckspannung V(1) um T/2 verschoben ist. Somit ist jeweils eine halbe Periode X1 und X4 eingeschaltet und eine halbe Periode X2 und X3. An der Last liegt damit eine halbe Periode die Spannung V(1,2) U 0 und eine halbe Periode die Spannung V(1,2) -U 0. Bei einer rein ohmschen Last erzeugt diese Rechteckspannung in der Last einen Strom, der ebenfalls rechteckförmig verläuft. Bei einer ohmsch-induktiven Last wird der Anstieg und Abfall des Stromes durch die Induktivität verzögert. Dadurch gibt es jeweils nach dem Ausschalten eines IGBT ein Zeitintervall, in dem der Strom über die Dioden weiterfließt, bevor er 0 wird und wieder auf einen IGBT wechselt. Wenn z.b. X1 und X4 eingeschaltet sind, fließt der Strom v 1 nach 2 durch die Induktivität. Wenn X1 und X4 ausgeschaltet werden, fließt der Strom zunächst in der gleichen Richtung über die Dioden 2 und 3 weiter. Da an der Induktivität dabei eine negative Spannung anliegt, nimmt der Strom ab. Wenn der Strom den Wert 0 erreicht, wird er durch die über die bereits eingeschalteten IGBT X2 und X3 anliegende Spannung in der umgekehrten Richtung wieder aufgebaut. 6-6 w EBE_6.doc

11 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik 6-7 w EBE_6.doc

12 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik Dreiphasiger Wechselrichter Das IGBT-Paar X1 und X2 wird im Gegentakt jeweils eine halbe Periode eigeschaltet. In der Praxis muss beim Umschalten noch eine Schutzzeit eingefügt werden, in der beide IGBT ausgeschaltet sind, um einen Kurzschluss der Betriebsspannung U 0 zu verhindern. Dadurch entsteht am Punkt 1 eine Rechteckspannung V(1), die zwischen 0 und U0 mit der Periode T schwingt. Die IGBT-Paare X3 und X4 sowie X5 und X6 werden ebenfalls im Gegentakt jeweils eine halbe Periode eingeschaltet, jedoch um T/3 bzw. um 2T/3 gegenüber dem Paar X1 und X2 verschoben. Dadurch entstehen am Punkt 2 und 3 jeweils Rechteckspannungen V(2) bzw. V(3), die zwischen 0 und U0 mit der Periode T schwingen und gegenüber der Rechteckspannung V(1) um T/3 bzw. 2T/3 verschoben sind. Dadurch entstehen 6 gleichlange Zeitintervalle, in denen jeweils 2 obere und ein unterer IGBT oder ein oberer und zwei untere IGBT eingeschaltet sind. In jedem Intervall sind somit zwei Laststränge parallel geschaltet. Dadurch liegt an den beiden parallel geschalteten Strängen die Spannung U 0 /3 bzw. -U 0 /3 und am dritten Strang liegt die Spannung 2U 0 /3 bzw. -2U 0 /3. Bei einer rein ohmschen Last erzeugt dieser Spannungsverlauf in der Last einen Strom mit dem gleichen Verlauf. Bei einer ohmsch-induktiven Last wird der Anstieg und Abfall des Stromes durch die Induktivität verzögert. Dadurch gibt es jeweils nach dem Ausschalten eines IGBT ein Zeitintervall, in dem der Strom durch eine Diode weiterfließt, bevor er 0 wird und wieder auf einen andere IGBT wechselt. Am Beginn des ersten Intervalls fließt der Strom über X5 in den Strang 3, über D4 in Strang 2 und über D1 aus Strang 1. Kurz danach wird der Strom in Strang 2 Null und wechselt auf den bereits eingeschalteten X4. Am Beginn des zweiten Intervalls wird X5 aus- und X6 eingeschaltet. Da der Strom in den Strang 3 zunächst seine Richtung beibehält, wechselt er auf D6. Kurz danach wird der Strom aus Strang 1 Null und wechselt auf den bereits eingeschalteten X1 usw. Die Frequenz der erzeugten Wechselspannung wird durch die Ansteuerung der IGBT festgelegt, die Amplitude über U 0 oder über die Einschaltdauer der IGBT. 6-8 w EBE_6.doc

13 Elektrische Bauelemente Studiengang Elektro- und Informatistechnik 6-9 w EBE_6.doc