Die Minimierung der Verlustleistung von IGBT-Modulen ist jedoch auch für Anwender, die niedrigere Systemkosten, EMV-Unterdrückung und eine längere Lebensdauer fordern, ein entscheidender Faktor. Durch die Weiterentwicklung unserer CSTBT™-Technologie im zweiten Schritt der NX-Serienentwicklung können wir nun eine passendere Lösung anbieten.
IGBT-Modul der NX-Serie
IGBT-Module werden üblicherweise in verschiedenen Größen gefertigt, um Platz- und Kostenanforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus umfasst das IGBT-Modulsortiment zahlreiche verschiedene Gehäuseelemente, wie z. B. Gehäusetyp, Sockel, Anschlüsse, Isolatoren und Leistungschips. Die NX-Serie verwendet einheitliche Gehäuse und Standard-Bestückungsprozesse, wodurch wir eine breite Palette an Schaltungsmodulen anbieten können – neben Einzelmodulen auch 2-in-1-, 7-in-1- und CIB-Konfigurationen (Wandler-Wechselrichter-Bremse). Für spezielle Anwendungen sind auch weitere, kundenspezifische Konfigurationen möglich. Einige Gehäusetypen sind in Abbildung 1 dargestellt. Sowohl die Schaltungskonfiguration als auch das Anschlussdesign bieten hohe Flexibilität.
Chiptechnologien:
Fortschritte bei IGBT-Chips.
Abbildung 2 zeigt den FOM (Factor of Merit), der den Leistungsübergang von IGBTs verdeutlicht. Der FOM ist definiert als die Chipstromdichte (JC), dividiert durch das Produkt aus Sättigungsspannung (VCE(sat)) und Abschaltverlust (Eoff) pro Impuls und Stromstärke bei induktiver Schaltung bei Tj = 125 °C. Die CSTBT™-Technologie weist einen besseren FOM auf als die Trench-IGBT-Technologie. Der FOM des IGBT der sechsten Generation von Mitsubishi ist 30 % höher als der der fünften Generation.
IGBT der sechsten Generation:
Der IGBT-Chip der sechsten Generation basiert auf der fortschrittlichen CSTBT™-Technologie. Abbildung 3 vergleicht die Querschnittsansichten des IGBT der sechsten Generation mit denen des herkömmlichen IGBT der fünften Generation. Beide Typen nutzen das gemeinsame Konzept der CSTBT™-Technologie durch die Verwendung des Carrier-Stored-Effekts (CS-Effekt). Als erster Entwicklungsschritt des IGBT der sechsten Generation wurde die Waferstruktur durch die Entwicklung einer Dünnwafer-Prozesstechnologie von NPT (Non-Punch-Through) auf LPT (Light-Punch-Through) umgestellt [2]. Anschließend wurde das Zelldesign optimiert, um das Verhältnis von VCE(sat) zu Esw(off) zu verbessern.
Durch die Verengung der Zellnut und die Optimierung der Dotierung der CS-Schicht wird der CS-Effekt in dieser Schicht verstärkt [3]. Das Ergebnis ist eine deutliche Verbesserung des Verhältnisses von VCE(sat) zu Esw(off), wie in Abbildung 4 dargestellt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Zusammenhang zwischen der Verlustleistung des IGBT und dem SCSOA (Short Circuit Safety Area). Abbildung 5 zeigt die für die sechste Generation von IGBT-Chips ermittelten SCSOA-Daten. Die Optimierung der CS-Schicht und das Zelldesign ermöglichen eine Kurzschlussfestigkeit von über 10 ms, ohne die Verlustleistung des IGBT zu beeinträchtigen.
Neues FWDi-Design:
Abbildung 6 zeigt den Aufbau einer neuen Freilaufdiode (FWDi) im Vergleich zu einer herkömmlichen FWDi. Wie in Abbildung 7 dargestellt, trägt die Dünnwafer-Prozesstechnologie zur Verbesserung des Kompromisses zwischen der Vorwärtsspannung VF und der Schaltverlustkompensation Esw(rec) bei.
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Einschaltverhalten:
Die Reduzierung des dv/dt-Verhältnisses beim Einschalten trägt typischerweise zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen (EMI) beim Einschalten bei. Im Allgemeinen lässt sich das dv/dt-Verhältnis beim Einschalten durch Steuerung der Gate-Geschwindigkeit einer externen Schaltung reduzieren; andernfalls erhöht eine Reduzierung von dv/dt die Einschaltverluste (Esw(on)) im IGBT-Chip. Abbildung 8 zeigt den Zusammenhang zwischen Esw(on) und dv/dt. Die Schaltgeschwindigkeit kann durch Änderung des Gate-Widerstands gesteuert werden. Das Esw(on) von IGBT-Chips der 6. Generation ist 20 % niedriger als das von herkömmlichen IGBTs bei dv/dt = 7,5 kV/ms, was wir als hypothetische Anwendungssituation annehmen.
Die Glätte des inversen Erholungswerts im FWDi und die inverse Übertragungskapazität (Cres) im IGBT tragen zur Verbesserung des Esw(on)-dv/dt-Verhältnisses bei. Dieses Ergebnis impliziert, dass IGBTs der 6. Generation einen größeren Auswahlbereich und eine gute Verlustleistungs-Kontrollfähigkeit in Abhängigkeit vom Rauschpegel aufweisen.
Abschaltverhalten:
Im Moment des Abschaltens befinden sich in der N-Schicht zahlreiche Elektronenpaare und freie Elektronen, sodass der Kollektorstrom nicht abrupt abbricht. Er nimmt über einen bestimmten Zeitraum, abhängig von der Lebensdauer der Elektronen, allmählich ab. Die IGBT-Generation der 6. Generation konnte den Reststrom durch Optimierung der LPT-Struktur verbessern. Abbildung 9 zeigt die Stromverläufe während des Abschaltvorgangs. Der Reststrom der IGBT-Chips der 6. Generation ist geringer als der der 5. Generation. Ein geringerer Reststrom führt zu geringeren Esw(off)-Verlusten.
Verlustleistung:
Die Verlustleistung in allgemeinen PWM-Wechselrichteranwendungen wurde für IGBT-Module der 5. und 6. Generation (siehe Abbildung 10) für ein Modul mit einer Nennspannung von 1200 V/150 A bei Volllast von 30 kW und 400 V AC abgeschätzt. Der Gate-Widerstand wurde bei jedem Bauelement so gewählt, dass das dv/dt-Verhältnis den gleichen Wert (7,5 kV/ms) ergab. Die Gesamtverlustleistung eines IGBT/FWDi-Chips setzt sich aus Schaltverlusten und statischen Verlusten zusammen. Unsere Berechnungen zeigen, dass die Verluste des IGBT-Moduls der 6. Generation 20 % geringer sind als die des herkömmlichen Moduls.
Thermische Simulation:
Die thermische Simulation der NX-Serie ist in Abbildung 11 dargestellt. Die Simulation wurde mit einem 1200-V/1000-A-Bauelement der NX-Serie im 2-in-1-Gehäuse mit 400-V-Eingangsspannung durchgeführt, das einen 185-kW-Wechselrichter unter Volllast betreibt. Die Sperrschichttemperatur (Tj) eines IGBT-Moduls der 6. Generation ist durchschnittlich 25 °C niedriger als die herkömmlicher IGBTs. Die Sperrschichttemperatur des neuen FWDi ist durchschnittlich 21 °C niedriger als die herkömmlicher FWD. Dadurch lassen sich Platzbedarf, Gewicht und Kosten des Kühlsystems reduzieren.
Zuverlässigkeitsgrenzen:
Die Lebensdauer eines IGBT-Moduls wird in vielen Fällen maßgeblich durch thermische Ermüdung am Sperrschichtübergang bei intermittierendem Betrieb bestimmt. Abbildung 12 zeigt die Lebensdauer des neuesten Moduls der NX-Serie im Vergleich zum älteren Modul (H-Serie). Die NX-Serie mit ihren IGBTs der 6. Generation weist die gleiche Lebensdauer wie die aktuelle NX-Serie auf und ist länger als die der H-Serie. Eine Erhöhung der maximalen Sperrschichttemperatur Tj gilt zudem als Anforderung bei der Entwicklung neuer Leistungselektronik. Die NX-Serie mit ihren IGBTs der 6. Generation ermöglicht den Betrieb bei einer maximalen Sperrschichttemperatur Tj von 175 °C. Die NX-Serie wurde unter zwei Betriebsbedingungen getestet (Tj(max) = 125 °C und Tj(max) = 175 °C). Bei Tj(max)=175 °C zeigt der IGBT der 6. Generation eine Lebensdauerleistung, die zwischen der der aktuellen NX-Serie bei Tj(max)=125 °C und der der H-Serie (bei Tj(max)=125 °C) liegt.
Fazit:
Dank der Entwicklung des IGBT-Chips der sechsten Generation und eines neuen FWDi weisen die IGBT-Module der Mitsubishi NX-Serie verbesserte Verlustleistungen in Stromversorgungsanwendungen auf. Dies bedeutet für Anwender eine höhere Systemeffizienz. Darüber hinaus bietet die NX-Serie flexible Gehäuseoptionen und verbesserte Geräteeigenschaften, wodurch sich ihr Anwendungsbereich erweitert. Die neue NX-Serie birgt großes Potenzial für die Entwicklung zukünftiger Stromversorgungssysteme.
Autor: Nishiyama Taketo, Yuji Miyazaki. Arbeitet für Leistungselektronik, Mitsubishi Electric Corporation, Japan.
Bibliographie
[1] Manabu Matsumoto et al. „Die Entwicklung neuer IGBT-Module mit Unified-Package-Bauteilen“, PCIM CHINA 2007.
[2] Takahashi Tetsuo et al. „CSTBT™ (III) als IGBT der nächsten Generation“, ISPSD 2008.
[3] Satoh Katsumi et al. „Neue Chipdesign-Technologie für Leistungsmodule der nächsten Generation“, PCIM Europe 2008.
