IGBT

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Dieser Artikel versteht sich als Unterpunkt zum Artikel Leistungselektronik.

Einleitung

Insulated Gate Bipolar Transistor

Ein IGBT kann im ersten Ansatz wie eine Kombination aus Feldeffekt-Transistor und Bipolarem Transistor betrachtet werden, bei der ein N-Kanal FET einen PNP Bipolartransistor ansteuert. Daher ist der IGBT bezüglich der Ansteuereigenschaften wie der FET als spannungsgesteuertes Bauelement (Achtung Treiberleistung!) zu betrachten, und hat ein "Gate". Die weiteren Eigenschaften ähneln aber einem Bipolartransistor (Sättigungsverhalten), daher werden diese Anschlüsse mit "Kollektor" und "Emitter" bezeichnet.

Vorteile des IGBT

  • Leistungslose Ansteuerung wie beim FET im statischen Betrieb
  • Verfügbarkeit für deutlich höhere Betriebsspannungen gegenüber FET Aufgrund des internen Aufbaus.
  • Niedrigere Verluste als die eines FETs ab einer Spannungsfestigkeit von derzeit (2014) ca. 250V .
  • Höhere Impulsbelastbarkeit (Faktor 4..5 für sehr kurze Pulse <5..10µs, bei neuster Chiptechnologie <3..5µs).
  • Keine parasitäre Freilaufdiode vorhanden. (siehe "Nachteile des IGBT") Beim FET ist aufbaubedingt eine parasitäre Freilaufdiode vorhanden. Dies ist oft - je nach Applikation - ein Nachteil. Bei Anwendungen mit entweder hohen Strömen, und/oder schnellem Schalten ist es ein Vorteil, wenn keine Diode integriert, und eine Diode ausgewählt werden kann, die auf den Anwendungsfall optimiert ist. Diese wird teilweise schon im selben Gehäuse platziert.
  • Geringe Erhöhung der Verluste bei steigender Temperatur verglichen mit einem FET.

Nachteile des IGBT

  • Zum schnellen Schalten wird wie beim MOSFET ein starker Gatetreiber benötigt.
  • Kann unter bestimmten Umständen (zu großes dU/dt) wie ein Thyristor zünden (Latch-Up Effekt). Der Strom ist hier nicht mehr kontrollierbar. Das wird bei modernen Typen durch strukturelle Maßnahmen im Aufbau effektiv verhindert.
  • Schaltverluste beim Abschalten sind vergleichsweise hoch, bedingt durch den sogenannten "Tail current". Dieser wird verursacht durch Ladungsträger, die nach dem eigentlichen Ausschalten noch vollständig abgeführt werden, was zu einem langsam abklingenden Strom führt.
  • Nur für relativ geringe Schaltfrequenzen einsetzbar ("hart schaltend", je nach Typ bis ca. 50kHz, Spezialtypen auch bis ca. 300kHz)
  • Nicht rückwärts leitfähig
  • Keine parasitäre Freilaufdiode vorhanden. Zum Schalten von induktiven Lasten ist eine externe Freilaufdiode zwingend erforderlich. (siehe "Vorteile des IGBT")
  • Kein Durchbruch zweiter Art wie beim FET. Vorgänge dieser Art führen beim IGBT im Allgemeinen zur sofortigen Zerstörung.

Erklärung der wichtigsten Datenblattwerte

Parameter Symbol Wert (Beispiel) Erklärung
Collector Emitter (Breakdown) Voltage BV_\mathrm{CES} oder V_\mathrm{CE} 600V Maximale Sperrspannung zwischen Kollektor und Emitter
DC collector current I_\mathrm{C} 60A @90°C Maximaler, dauerhaft zulässiger Kollektorstrom bei 90°C
Pulsed Collector Current C_\mathrm{pulse} oder I_\mathrm{CM} 150A Maximaler Pulsstrom (Achtung die zulässige Zeitdauer des Pulses kann nur über die maximale Junctiontemperatur ermittelt werden)
Short Circuit Withstand Time t_\mathrm{sc} 10µs Maximale Zeit, nach der ein Kurzschluß abgeschaltet sein muß
Thermal Resistance (junction-case) R_\mathrm{th,JC} 0,33K/W Thermischer Widerstand vom Siliziumchip bis zur Rückseite des Transistorgehäuses
Gate-Emitter Threshold Voltage V_\mathrm{GE(th)} 4,8V Gatespannung, ab welcher der Transistor minimal leitend wird
Turn-on Delay t_\mathrm{d(on)} 50ns Verzögerung zwischen einschalten am Gate zur Reaktion am Kollektorstromes
Rise Time t_\mathrm{r} 45ns Anstiegszeit des Kollektorstromes
Turn-off Delay t_\mathrm{d(off)} 600ns Verzögerung zwischen Abschalten am Gate zur Reaktion am Kollektorstromes
Fall Time t_\mathrm{f} 130ns Abfallzeit des Kollektorstromes

Für die oben genannten Werte gibt es exakte Definitionen unter denen diese Werte richtig sind. Oft wird dies auch in den Datenblättern grafisch dargestellt, unter Berücksichtigung der Abhängigkeiten. Die Angaben im Datenblatt bzw. dieser Tabelle sind auch SEHR stark von den Ansteuerbedingungen abhängig. In den Datenblättern werden die Werte immer für 25°C angegeben, soweit dort nicht anders vermerkt.

Beispiel zur Bauteiledimensionierung

Spannungsfestigkeit

Die höchste vorkommende Betriebsspannung plus Abschaltüberspannung soll kleiner als ca. 80% der Spannungsfestigkeit des Bauteiles sein. Achtung: Zwischen dem je nach Anwendungsfall erforderlichen Pufferkondensator und dem IGBT wird es immer eine parasitäre Induktivität geben. Abhängig von Schaltgeschwindigkeit und Induktivität wird im Schaltmoment eine mehr oder weniger große Überspannungsspitze produziert. Dieser Peak addiert sich auf die aktuelle Versorgungsspannung. Die dabei entstehende Spannungsspitze darf die maximale Spannungsfestigkeit zu keinem Zeitpunkt überschreiten.

Überschlagsrechnung mit fiktiven Werten als Beispiel:

  • Schaltgeschwindigkeit im Kurzschlußfall: dI/dt = 100A/µs,
  • Induktivität: L = 1µH
  • dU=-L*dI/dt = -1µH * 100A / 1µs = 100V

Dies bedeutet, daß an der parasitären Induktivität zwischen IGBT und Kondensator - auf Grund von Selbstinduktion im Schaltmoment - ein Überspannungspuls von bis zu 100V entstehen kann, der auf die Betriebsspannung aufzuschlagen ist. Wie hoch der Puls wirklich wird, hängt von der Verteilung der Induktivitäten, Kapazitäten, und der Steifigkeit des Systems ab. Also zuerst rechnen, dann einen guten Testaufbau anfertigen, und letztendlich messen.
Zielführend und absolut wichtig ist die Minimalisierung der parasitären Induktivität zwischen Leistungshalbleiter und Zwischenkreiskondensator.

Stromtragfähigkeit

Welchen Strom muß der IGBT wie lange leiten? In jedem Datenblatt ist eine Stromtragfähigkeit bei 25°C und bei meist 100°C angegeben. Warm wird es dem IGBT im Betrieb von alleine, daher unbedingt den Wert bei z. B. 100°C verwenden. Dieser Wert ist als ERSTE Entscheidungsgrundlage ausreichend.

  • Liegt dieser Wert mit ca. 30% Abstand darunter ist das OK.
  • Ist der benötigte Strom im Bereich oder größer als der zulässige bei 100°C muß entweder ein anderer Typ eingesetzt oder mehrere IGBTs parallel geschaltet werden.

Achtung: Verlustleistung und Kühlanbindung prüfen. Gegebenenfalls einen weiteren IGBT parallel schalten, um die Verlustleistung auf zwei Bauteile zu verteilt.

Verlustleistung

Hier wird eine Näherung für die getaktete Anwendung dargestellt. In einem Transistor treten sowohl beim Ein- und Ausschalten, als auch während der eingeschalteten Zeit Verluste im Bauteil auf. Diese Verluste führen zu einer Bauteilerwärmung. Die dabei entstehende Temperatur darf die maximal zulässige Bauteiletemperatur nie überschreiten. Bei den ersten Projekten ist zu empfehlen, eine berechnete Chiptemperatur von ca. 125°C nicht zu überschreiten. Fast alle aktuell verfügbaren IGBTs nennen im Datenblatt eine Temperatur von 150°C als ihre maximale Chiptemperatur, manchmal auch schon 175°C.

Beispiel
Parameter Symbol Wert
Betriebsspannung U_N 400V
Nennstrom I_N 5A
Spannungsabfall bei I_N, Chiptemperatur = 150°C und einer Gatespannung von 15V V_CE_sat 2,0V
Taktfrequenz f_schalt 5kHz, (T=200µs)
on-Zeit t_on 150µs,
Einschaltzeit (risetime) t_r 1,5µs
Ausschaltzeit (falltime) t_f 1µs
Überhöhungsfaktor Einschalten F_üein 1,2
Überhöhungsfaktor Ausschalten F_üaus 1,4

(Hintergrund für diese Überhöhungsfaktoren sind das übliche Überschwingen beim Schalten, sowie der Einfluß des Tailstromes. Diese Werte sind Erfahrungswerte.)


On-Verluste


P_\mathrm{on} = V_\mathrm{CE,sat} \cdot I_\mathrm{N} \cdot t_\mathrm{on}/T = 2,0\,\mathrm{V} \cdot 5\,\mathrm{A} \cdot 150\,\mathrm{\mu s} / 200\,\mathrm{\mu s} = 7,5\,\mathrm{W}

Schaltverluste (vereinfachter Ansatz)

 Einschalten:
 P_sw_on = 0,5 * U_N * I_N * F_üein * t_r/T 
         = 0,5 * 400V * 5A *1,2 * 1,5µs / 200µs = 9W 
 (Oder alternativ und genauer, wenn bekannt, P_sw_r=f_schalt * E_on d.h. Schaltfrequenz mal Einschaltverlustenergie.
Aber Achtung... die Randbedingungen unter denen die genannte Energie ermittelt wurde müssen genau so zutreffen.)
 Ausschalten:
 P_sw_off = 0,5 * U_N * I_N * F_üaus * t_f/T  
          = 0,5 * 400V * 5A *1,4 * 1µs / 200µs = 7W
 (Oder alternativ und genauer, wenn bekannt, P_sw_f=f_schalt * E_off d.h. Schaltfrequenz mal Ausschaltverlustenergie.
Aber Achtung... die Randbedingungen unter denen die genannte Energie ermittelt wurde müssen genau so zutreffen.)

Die Gesamtverlustleistung beträgt also in etwa 23,5W.

Damit muß ein entsprechender Kühlkörper ausgelegt, und die Chiptemperatur berechnet werden. Z.B.:

  • Kühlkörper mit einem R_th von 0,2K/W
  • max. Umgebungstemperatur +60°C
  • R_th "junction-case" des IGBTs 0,7K/W
  • R_th der Wärmeleitfolie zwischen IGBT und Kühlkörper ca. 2,0K/W
  • R_th gesamt: 2,9K/W
  • Bei einer Verlustleistung von 23,5W und einer Umgebungstemperatur von 60°C hat der Chip eine Temperatur von ca. 23,5W * 2,9K/W +60°C = 128°C. ==> o.k.!

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß hier viele Vereinfachungen vorgenommen und die Art der Last nicht beachtet wurde, ist es sinnvoll einigen Sicherheitsabstand zu den zulässigen Maximalwerten einzuhalten. Daher ist es empfehlenswert, die Chiptemperatur auf einen Bereich von ca. 125°C zu beschränken. Darüberhinaus sollte der Entwickler wissen was er tut.

Treiberleistung

Auch wenn der IGBT wie der MOSFET ein spannungsgesteuertes Bauelement ist, muß trotzdem bei jedem Einschalten und bei jedem Ausschalten die Gatekapazität von z. B. -8V auf +15V (dUg beträgt in diesem Beispiel 23V) und zurück umgeladen werden. Dafür benötigt man einen starken und schnellen Treiber. Da die Gatekapazität nicht im Datenblatt enthalten ist kann man sich mit der Eingangskapazität (Cies) behelfen. Im Arbeitspunkt ist die Gatekapazität ungefähr 5x größer als der im Datenblatt für Cies angegebene Wert. Daher berechnet sich die Treiberleistung wie folgt:

P_treiber = 2 x 0,5 x 5 x Cies x dUg² x f_schalt
          = 5 x Cies x dUg² x f_schalt

Bei dUg = 23V, Cies=4nF und f_schalt=5kHz beträgt P_treiber = 53mW. Aber Achtung, jeder Treiber hat auch einen Eigenverbrauch der leicht zwischen 0,5 und 1 W liegen kann.

Bei größeren Strömen mit einer höheren Frequenz - z. B. Induktionsheizung - wird die Ansteuerleistung schon sehr interessant: z. B. dUg = 23V, Cies=20nF und f_schalt=250kHz, hier beträgt P_treiber = 13,3W (zuzüglich Eigenverbrauch).

Zusätzliche Hinweise

  • Bei IGBTs mit im Gehäuse integrierter Diode muß die Verlustleistung an der Diode separat berechnet und in obige Verlustleistungs- und Temperaturberechnung mit einbezogen werden. In erster Näherung genügt die Berechnung mit Strom und Spannungsfall beim entsprechenden Strom lt. Datenblatt d.h. (P_D = V_0*I_AV). Wenn mans genau haben will, kann zusätzlich noch die Verlusteistung am internen Diodenwiderstand in leitendem Zustand in die Berechnung mit einbezogen werden, d.h.

(P_D = V_D*i_D = (V_0+r_on*i_D)*i_D = V_0*i_D+r_on*i_D^2). In manchem Datenblatt sucht man den r_on jedoch vergeblich, da er vom Strom abhängig ist. Den Wert kann man aus der Diodenkennlinie ablesen. Achtung: Die Verluste in der Diode treten NUR in leitendem Zustand auf, das Tastverhältnis ist also zu beachten.

  • Bei Spannungen > 60V unbedingt die einschlägigen Normen und Vorschriften beachten. (Potentialtrennung für Ansteuerung und Hilfsspannungsversorgung, Leiterbahnabstände, Berührschutz,...)
  • Prüfen, ob der IGBT wirklich abgeschaltet ist und bleibt (Gatespannung deutlich unter Schwellenspannung bzw. KEIN Stromfluß im ausgeschalteten Zustand)! Ansonsten muß zum sicheren Sperren des IGBTs eine negative Gatespannung (-5..-8V) angelegt werden. Hintergrund: In einer geschalteten Anwendung treten große Spannungssteilheiten z. B. am Kollektor auf. Aufgrund der internen parasitären Kapazitäten zwischen Gate, Emitter und Kollektor findet eine Überkopplung des Schaltpulses - z. B. beim Schalter gegen GND - vom Kollektoranschluß auf den Gateanschluß (kapazitiver Spannungsteiler zwischen K_G und G_E) statt. Dadurch wird das Gatepotential um einige Volt angehoben. Dies führt unter Umständen zu einem ungewollten Einschalten bzw. in einer Halbbrückenapplikation zu einem Brückenkurzschluß.
  • Um einen Leistungstransistor richtig ein- bzw. auszuschalten wird der Einsatz eines Treiberbausteines unbedingt empfohlen. Um den IGBT vor Schaden durch Kurzschluß zu schützen, sollte ein Treiber mit einer sogenannten Entsättigungsüberwachung (schnelle Überwachung von U_CE) verwendet werden. Des Weiteren sollte der Strom im Betrieb ständig gemessen werden um im Fehlerfalle eine Zerstörung zu verhindern.
  • Zum Einschalten eines IGBTs ist eine Spannung von ca. 12..15V zu empfehlen. Eine größere Spannung führt zu höheren Umladeverlusten, bei einer geringeren Spannung verschenkt man meist Leistungsfähigkeit.
  • Die Fläche in der Verbindung zwischen Treiber und Leistungsschalter ist unbedingt klein zu halten (verdrillte Kabel bzw. dicht nebeneinander bzw. übereinander geführte Leiterbahnen). Bei der Auswahl des Leitungsdurchmessers bzw. der Leiterbahnbreite beachten, daß die Ansteuerströme durchaus im Bereich von einigen Ampere liegen können.
  • Die Schaltgeschwindigkeit und damit die Verluste und EMV-Abstrahlung wird stark durch die Gatebeschaltung beeinflußt. Im Datenblatt sind bei der Beschreibung der Ein- bzw. Ausschaltzeiten (meist bei "Test Conditions") Widerstandswerte im einstelligen Ohmbereich angegeben, für die diese dort genannten Schaltzeiten gültig sind. Es wird im Allgemeinen empfohlen die dort genannten Widerstandswerte NICHT zu UNTERschreiten. Die Wahl des Gatewiderstandes ist eine Wissenschalft für sich und immer ein zweischneidiges Schwert. Einerseits möchte man geringste Schalt- Verlustleistungen, d.h. eine kleine Schaltzeit = geringen Gatewiderstand, (1..15Ω). Achtung auf die Höhe der Ströme! Andererseits jedoch ein gutmütiges EMV-Verhalten und weniger hohe Ströme in der Gateleitung, d.h. größere Schaltzeit = höherer Gatewiderstand (evtl. bis zu 10..25Ω). Der Widerstandswert ist sehr stark von den Anforderungen abhängig. Meist ist ein asymmetrische Ansteuerung das Mittel der Wahl, d.h. R_g1 PARALLEL zu einer Serienschaltung aus D und R_g2. Ausschalten: Wahl eines größerer Widerstandswertes R_g1 direkt zwischen Gate und Treiberausgang. Einschalten: Wahl eines geringerer Wertes R_g2 + Seriendiode. R_g2 sorgt für ein zügiges Einschalten bei geringen Verlusten, R_g1 reduziert die durch parasitäre Induktivitäten hervorgerufene Abschaltüberspannung auf ein erträgliches Maß.
  • Speziell in der Entwicklungsphase sollten die Ströme über Shunt oder einen schnellen Stromsensor überwacht werden. Eine Schnellabschaltung bei Überstrom ist für die Schaltung "Lebensnotwendig".

Anregungen oder Fragen auch gerne per Email an Powerfreak. Dieser Artikel kann dadurch regelmäßig erweitert und ggf. durch ein FAQ ergänzt werden.

Siehe auch