Der kürzlich eingeführte 650V XPT IGBT wurde in Planartechnologie mit verbesserten Methoden zur Reduzierung des parasitären Eigenwiderstands entwickelt. Die resultierenden Bauelemente bieten eine ähnliche Performance wie moderne Trench-Feldstopptransistoren, jedoch ohne deren Nachteile wie hohe Eingangskapazität und die daraus resultierenden hohen Ein- und Ausschaltströme.
Der Verzicht auf eine Lebensdauerkontrolle gewährleistet einen positiven Temperaturkoeffizienten an der Durchlassspannung und ermöglicht so die Parallelschaltung. Dank optimierter Emitterkonstruktion erfüllen diese 650V XPT IGBTs die Anforderungen an schnelles Schaltverhalten.
Abbildung 1 zeigt die V<sub>CE(sat)</sub>-E<sub>Off</sub>-Kompensationskennlinie eines 650V XPT IGBT in mittlerer und hoher Schaltgeschwindigkeit.
XPT-Charakteristik:
Der XPT-IGBT wurde entwickelt, um geringe Schaltverluste bei gleichzeitig niedriger Durchlassspannung zu gewährleisten. Dies wurde durch verbesserte SOA- und Kurzschlussfestigkeitsverhältnisse erreicht. Die Ausgangskennlinien bei verschiedenen Temperaturen sind in Abbildung 2 für die mittlere Drehzahl dargestellt.
Der XPT-IGBT weist typischerweise eine niedrige Sättigungsspannung (Vce(sat)) von1,6 V bei ΔI<sub>om</sub>und 25 °C<sub>om</sub>und 150 °C auf. Der positive Temperaturkoeffizient des XPT-IGBT ermöglicht eine negative Rückkopplung und macht ihn somit für die Parallelschaltung von Modulen oder Schaltungen geeignet. Neben der niedrigen Sättigungsspannung zeichnet sich der XPT-IGBT auch durch einen geringen Leckstrom bei 150 °C (<100 mA bei 650 V) aus, wobei die maximale Sperrschichttemperatur mit 175 °C angegeben ist.
Die Schaltcharakteristik eines 650V XPT IGBT bei 150°C, 100 A und mittlerer Geschwindigkeit ist in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt.
Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, zeigt der Stromverlauf (blau) ein gleichmäßiges Schaltverhalten, wodurch elektromagnetische Störungen reduziert und Überspannungsspitzen minimiert werden. Der lineare Spannungsanstieg und der kurze Stromabfall beim Abschalten führen zu geringen Verlusten (E<sub>off</sub> = 3,6mJ bei 150 °C, 300 V, 100 A).
Der XPT IGBT hat eine niedrige Gate-Last (Qg = 140nC@0/15 V), was im Vergleich zu Trench-IGBTs einen geringeren Stromverbrauch für die Gate-Steuerung erfordert.
XPT und SONIC – die perfekte Kombination
Die optimale Kombination zur Reduzierung von Zündverlusten wird erreicht, wenn der XPT IGBT mit der IXYS SONIC Diode kombiniert wird, die ebenfalls eine geringe Leistungsleitfähigkeit und ein ausgezeichnetes Temperaturverhalten aufweist.
Die SONIC-Diode zeichnet sich durch ein sanftes Erholungsverhalten aus, wodurch der XPT-IGBT auch bei sehr hohen di/dt-Werten eingeschaltet bleibt, selbst unter Bedingungen niedriger Ströme und Temperaturen, bei denen es typischerweise zu Dioden-Pops kommen würde.
Die SONIC-Diode gewährleistet ein gleichmäßiges Schaltverhalten beim Abschalten mit ungeeigneten Strömen und reduziert so EMV-Probleme.
SONIC-Dioden kombinieren einen niedrigen Sperrstrom mit einer kurzen Sperrverzögerungszeit (siehe Abbildung 4), um die Einschaltenergie des XPT-IGBT (Eon IGBT = 1,2 mJ300 V, 100 A bei 1600 A/ms ) zu minimieren. Die Durchlassspannung (Vf) der SONIC-Diode ist weniger temperaturempfindlich, was sie besser für den Parallelbetrieb der Dioden geeignet macht und die Schaltverluste minimiert.
XPT-Robustheitsmerkmale
Das Verhalten von IGBTs unter Kurzschlussbedingungen ist für Motorsteuerungsanwendungen von entscheidender Bedeutung. Der IXYS XPT IGBT hat sich in Kurzschlusstests als außergewöhnlich robust erwiesen. Das Chipdesign wurde optimiert, um einen Kurzschlussstrom von etwa dem Vierfachen des Nennstroms zu liefern und so ein robustes Kurzschlussverhalten zu gewährleisten.
Abbildung 5 zeigt den XPT 50A, 650V, mittelschnellen IGBT während eines Kurzschlusses mit einer Gate-Spannung von ±15V bei 150°C über 10 ms an einer Busspannung von 400V.
Die Charakterisierung der XPT-IGBT-Technologie zeigte extreme Robustheit bei Kurzschlüssen unter hohen Spannungen und Temperaturen über 10 ms, ohne dass die Eigenschaften des IGBT beeinträchtigt wurden. Der IXYS XPT-IGBT weist bei einer Sperrschichttemperatur von 150 °C und einer Spannung von 650 V bis zum Doppelten des Nennstroms einen RBSOA auf.
XPT-Roadmap
: Der XPT 650V IGBT ist mit Nennströmen von 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100 und 200 A als mittelschneller Typ für Motorsteuerungsanwendungen und als schnellschaltende Version für Anwendungen mit hohen Schaltanforderungen wie Solarwechselrichter und Schweißgeräte geplant. Die Chipversionen mit 50 A und 100 A werden zuerst eingeführt und sind bereits als Muster verfügbar. (Für spezielle Anwendungen und Kundenanforderungen wird auch eine Kombination mit SiC angeboten.)
Verkapselungsoptionen, neues Isoplus-SMPD™
Diese XPT™ IGBT-Chips sind in Standard-Modulgehäusen und im neuen Isoplus-SMPD™ (Surface-Mount Power Device) erhältlich. Ziel war die Entwicklung eines kleinen, flexiblen Gehäuses zur Realisierung verschiedener Schaltungen auf Basis der IXYS ISOPLUS™-Technologie. Anwendungsanforderungen und Designdetails wurden gemeinsam mit dem Entwicklungsteam der SEW Eurodrive GmbH & Co. KG diskutiert und analysiert, um ein Produkt zu erhalten, das sich besser für einen effizienteren Einsatz eignet.
Die ISOPLUS™-Familie basiert auf einem DCB-Substrat, das die Rückseite isoliert. Dadurch wird der Montageaufwand reduziert, da keine separate Isolierschicht benötigt wird. Das Transferformverfahren ermöglicht ein robustes Gehäuse und die Verwendung eines nur 0,38 mm dünnen DCB-Substrats, wodurch der Wärmewiderstand weiter verringert wird.
Bei herkömmlichen diskreten Bauelementen werden die Chips direkt auf eine Kupferbasis mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gelötet, insbesondere zwischen der Kupferbasis und dem Chip. Große Temperaturschwankungen, ob durch Temperatur- oder Leistungsbelastung verursacht, können Defekte wie Risse in den Chips hervorrufen.
Diese Belastung wird durch die Vorteile des Isoplus-SMPD™-Gehäuses deutlich reduziert, insbesondere durch die verbesserte Kompatibilität zwischen dem Siliziumchip und der digitalen Leiterplatte (DCB), auf der der Chip montiert ist. Darüber hinaus führt die niedrige thermische Impedanz der DCBs zu einem minimalen Temperaturanstieg unter wechselnden Lasten. Dadurch sind sie auch bei niedrigen Temperaturen beständig, was für ein hochzuverlässiges Bauteil charakteristisch ist. Der Einsatz einer DCB ermöglicht zudem die Implementierung verschiedener Schaltungskonfigurationen mit niedriger Induktivität innerhalb des Gehäuses. Standardkonfigurationen wie Phasenzweige, Chopper-Schaltungen und Gleichrichterbrücken mit ein- und dreiphasigen Eingangsanschlüssen sind bereits verfügbar, unter anderem mit 1200-V-XPT-IGBTs (Abbildung 6). Weitere Konfigurationen werden kundenspezifisch entwickelt. Aufbauend auf diesen Teilfunktionen lassen sich komplexere Leistungsschaltungen realisieren, die auf spezifische Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind. Selbstverständlich können diese Bauteile für höhere Ströme parallel geschaltet werden. Für den 650V XPT IGBT sind eine 75A Phasenbeinkonfiguration und ein 200A Einzel-Copack im Isoplus-SMPD™ realisierbar.
Das neue Gehäuse ist klein und leicht und verfügt über zwei Stiftreihen, ähnlich einem integrierten Schaltkreis (IC), jedoch mit geringerem Kupferanteil und verbesserter Leckstromdichte. Es ermöglicht die Leiterplattenmontage auf Standard-SMD-Bestückungsautomaten zusammen mit anderen Standard-SMD-Bauteilen. Isoplus-SMPD™-Bauteile sind als Gurtverpackung oder in Blisterverpackung erhältlich.
Die gesamte Platine, einschließlich der Leistungsbauteile, kann im Standard-SMD-Lötverfahren bestückt werden. Wie üblich muss auch bei den Leistungsbauteilen eine Wärmeleitpaste auf deren Rückseite (oder alternativ auf die Kühlkörperoberfläche) aufgetragen werden. Anschließend können die Bauteile zusammen mit der Leiterplatte auf dem Kühlkörper montiert werden.
Die Aufteilung der Funktionen einer integrierten Modullösung in kleinere Einheiten bietet auch Vorteile hinsichtlich der Wärmeableitung. Während die Wärmeableitung in einer Modullösung auf einen relativ kleinen Bereich konzentriert ist, werden die Wärmequellen durch den Einsatz von ISOPLUSSMPD™-Bauteilen getrennt und somit deutlich besser über den/die Kühlkörper verteilt.
Diese Leistungshalbleiter müssen fest gegen den Kühlkörper gepresst werden, um geringe Wärmewiderstände zu gewährleisten. Der Anpressdruck kann auf verschiedene Weise aufgebracht werden, beispielsweise mit einer Montageklammer oder durch die Platine hindurch direkt auf den Leistungshalbleiter. Messungen haben gezeigt, dass hoher Anpressdruck den Wärmewiderstand (RthJH) reduziert und dass dieser nahezu konstant bleibt, wenn die Anpresskraft nach kurzer Zeit bei höherem Anpressdruck verringert wird (Abbildung 7). Selbst bei geringeren Anpresskräften verbessert sich der Wärmewiderstand Rth jedoch mit der Zeit. Es dauert etwa 30 Minuten, bis die Wärmeleitpaste vollständig verteilt und abgesetzt ist und überschüssige Paste entfernt wurde.
Fazit:
Die guten statischen und dynamischen Eigenschaften in Kombination mit der Robustheit unter Kurzschluss- und Lawinenbedingungen sowie die Isolationscharakteristika von 3 kV und die SMD-Prozessfähigkeit des ISOPLUSSMPD™-Gehäuses bieten dem Ingenieur ein geeignetes und flexibleres Bauteil für fortschrittliche Systemleistungsdesigns mit hervorragender Leistung, Zuverlässigkeit und Kostenreduzierung.
Autor: Iain Imrie, Elmar Wisotzki, Olaf Zschieschang und Andreas Laschek-Enders. IXYS.
