Messung des IGBT-Leitungsverlusts zur Maximierung der Effizienz

Einführung

Leistung und Effizienz eines Bipolar-Transistors mit isoliertem Gate können anhand seines Schaltverlusts beim Übergang zwischen dem EIN- und AUS-Zustand und seines Leitungsverlusts quantifiziert werden. Leistungsstärkere IGBTs bestehen typischerweise aus einem IGBT und einer Diode im selben Halbleitergehäuse. Der IGBT und die Diode tragen jeweils zu den kombinierten Verlusten bei und ihre Wechselwirkungen müssen berücksichtigt werden.

Die Leitungsverluste von IGBTs und Dioden sind das Ergebnis des durch den Kollektor fließenden Stroms oder der Durchlassspannung (Sättigungs- und Anodenspannung) während des Leitungszyklus. In diesem Whitepaper wird eine der wirksamsten Methoden zur Verringerung von Schaltverlusten durch Manipulation der Spannungs- und Stromwellenformen eines IGBT während der Einschalt- und Ausschaltphasen vorgestellt. Darüber hinaus wird veranschaulicht, wie dieser Ansatz dazu beiträgt, die während der Überlappungszeit auftretenden Verluste deutlich zu reduzieren oder sogar zu vermeiden.

IGBT-Grundlagen

Der Aufbau eines IGBT erfordert weitere Untersuchungen, um eine Grundlage für die Analyse zu schaffen. Als IGBTs vor Jahrzehnten erstmals eingeführt wurden, wurden sie als Schaltgeräte entwickelt, die den spannungsgesteuerten MOSFET an seinem Gate mit dem stromgesteuerten bipolaren Sperrschichttransistor an seinem Kollektor und Emitter kombinierte. Dieses Design kombinierte effektiv die Vorteile zweier bewährter Schaltgeräte, um ein spannungsgesteuertes bipolares Gerät zu schaffen. Abbildung 1 zeigt die IGBT-Ersatzschaltung, bei der das Gate ein MOSFET und die Ausgangsstufe ein bipolares PNP-Minoritätsträgergerät ist. Darüber hinaus ist in Abbildung 2 ein IGBT in einer Testschaltung dargestellt, die mit den relevanten Parametern gekennzeichnet ist.

Steuern von VOL-Tag-Abfällen

Ein IGBT weist einen festen Spannungsabfall auf, der nicht proportional zum von ihm geleiteten Strom ist. Dies unterscheidet sich von einem MOSFET, bei dem der Spannungsabfall als Kanalwiderstand multipliziert mit dem Strom gemessen werden kann. Da es sich bei einem MOSFET um ein Mehrheitsträgerbauelement handelt, verwendet er einen Leitungskanal, der mit seinem eigenen Trägertyp implementiert ist – typischerweise ein N-Kanal-Leistungsbauelement, das mit Elektronen leitet. Der MOSFET steuert den Stromfluss durch Änderung des Widerstands des Kanals, während ein bipolarer Transistor den Strom durch Änderung der eingespeisten Träger steuert.

Diese Effekte werden intern während des Entwurfs der Halbleiterübergänge und Dotierungskonzentrationen der einzelnen Bereiche optimiert. Insbesondere wird der Kanalwiderstand des MOSFET verringert, um den PNP-Basisstrom zu erhöhen, wodurch wiederum die Menge an P-Ladungen verringert wird, die erforderlich ist, um den gleichen Spannungsabfall über dem IGBT zu erreichen. Dadurch werden auch die gespeicherte Ladung und der Reststrom reduziert. Darüber hinaus trägt die Verringerung der Dicke der PNP-Basis dazu bei, diese positiven Ergebnisse zu erzielen.

Überwindung von Mängeln und Nachlaufströmen

Ein IGBT ist das Gerät der Wahl für Anwendungen mit mittlerem bis hohem Strom und hoher Spannung. In hartgeschalteten Anwendungen und Wechselrichterantrieben kann ein IGBT in einem ähnlich großen Gehäuse mehr Strom durchlassen als ein eigenständiger MOSFET. Positive Nebeneffekte davon sind eine verringerte Eingangskapazität und geringere Kosten. Im Allgemeinen weist ein IGBT im Vergleich zu einem MOSFET einen erhöhten Leitungsverlust auf, da der Kollektorstrom des IGBT im Gegensatz zum quadrierten Drainstrom des MOSFET einen Beitrag leistet.

Allerdings weisen IGBTs bekanntermaßen größere Schaltverluste auf als MOSFETs. Dies bedeutet, dass IGBTs aufgrund des bipolaren Minoritätsträgerausgangs besser für Anwendungen mit niedrigerer Schaltfrequenz geeignet sind. Insbesondere erfolgt der Übergang zwischen den Zuständen nicht augenblicklich. Die gespeicherte Ladung im internen BJT erzeugt für eine kurze „Nachlaufzeit“ einen „Nachlaufstrom“, bis alle Minoritätsladungsträger entfernt wurden. Bei der Optimierung des Geräts für mehr Effizienz bestimmt die Nachlaufzeit die maximal zulässige Schaltfrequenz, so dass die Schaltverluste in einem akzeptablen Rahmen bleiben. Es besteht ein Kompromiss zwischen der Nachlaufzeit und dem Durchlassspannungsabfall der Diode. Es ist wünschenswert, die Nachlaufzeit und den Durchlassspannungsabfall zu reduzieren, um einen effizienten Betrieb der IGBTs zu ermöglichen – näher am oberen Ende des üblichen Bereichs von 4 kHz bis 20 kHz.

Bei vielen Haushaltsgeräten liegt die gewünschte Frequenz bei 20 kHz, und zwar hauptsächlich deshalb, weil das vom Gerät erzeugte Geräusch für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar ist. Bei Motorantrieben und hartschaltenden Anwendungen, die keinen Isolationstransformator erfordern, bringt das Überschreiten des hörbaren Bereichs keinen Vorteil, da die höhere Frequenz die Effizienz der Motorkonstruktion nicht steigern würde. Dies macht den IGBT zur optimalen Wahl für Motorantriebe und Hard-Switching-Anwendungen.

Überlappung verursacht Schaltverluste

Die wichtigsten Kompromisse beim IGBT-Design sind Robustheit im Chipdesign, Schaltverluste beim Ausschalten und Spannungsverluste im Durchlasszustand. Es ist wichtig, die Wechselwirkungen zwischen Spannungs-, Strom- und Verlustwellenformen während des normalen IGBT-Betriebs zu messen und zu verstehen, um die Parameter zu manipulieren und so die Effizienz des IGBT in verschiedenen Anwendungen zu maximieren.

Bei Anwendungen, die IGBTs als harte Schalter verwenden, gibt es bei jedem Übergang von AUS zu EIN oder von EIN zu AUS einen definierten Zeitraum mit Leistungsverlust. Dies liegt daran, dass an den Kollektor-Emitter-Verbindungen des Schalters eine Spannung auftritt, während Strom durch den IGBT fließt. Abbildung 3 veranschaulicht die Spannung, den Strom und den Verlust, die um und bei jedem dieser Übergänge auftreten.

Die Spannungs- und Stromwellenformen werden an jedem Punkt multipliziert, um die Wellenform des momentanen Leistungsverlusts zu erhalten. Bemerkenswert ist der große Leistungsverlust während des Schaltens. Da der Leistungsverlust bei jedem Schaltübergang konstant ist, steigt der Schaltleistungsverlust mit der Schaltfrequenz an. Daher verringern untere Frequenzen den gesamten Schaltverlust. Bourns® IGBTs werden unter Verwendung der Trench-Gate Field-Stop (TGFS)-Technologie hergestellt. Die Trench-Gate-Struktur (TG) führt zu einer höheren Kanaldichte im MOSFET-Teil des Geräts. Darüber hinaus trägt die TGFS-Technologie dazu bei, den Spannungsabfall im Durchlasszustand im Vergleich zu einer planaren IGBT-Struktur zu reduzieren. Dies trägt zur Reduzierung der Leitungsverluste bei. Das Vorhandensein der Field-Stop-Ebene (FS) trägt dazu zur Reduzierung der gesamten Schaltenergie bei. FS trägt auch dazu bei, die Verstärkung zu erhöhen und die Lebensdauer der Minoritätsträger zu verringern, was zur Löschung des Tail-Stroms führt, wenn der IGBT ausgeschaltet wird. Dies trägt auch dazu bei, die Geschwindigkeit des Geräts im Vergleich zu einem Gerät mit ähnlichen Abmessungen, aber ohne FS-Schicht zu erhöhen.

Bestimmung des Leitungsverlustes

Immer wenn ein IGBT oder die mitverpackte schnelle Recovery-Diode eingeschaltet ist und Strom leitet, kommt es zu Leitungsverlusten. Dieser Verlust wird als Verlustleistung bezeichnet und ergibt sich aus der Multiplikation der Durchlassspannung mit dem Durchlassstrom. Bei Anwendungen auf Basis der Pulsweitenmodulationstechnologie (PWM) muss der Tastgrad als Multiplikator berücksichtigt werden, um die durchschnittliche Verlustleistung zu ermitteln.

Zur Ermittlung der Leitungsverluste sollten Sie zunächst in den Datenblättern der IGBTs und Freilaufdioden nachsehen. Der IGBT verfügt über eine temperaturabhängige Nennspannung (V_CE(sat)). Durch Multiplikation dieses Werts mit dem erwarteten durchschnittlichen Gerätestrom für die Anwendung erhält man die ungefähre Verlustleistung des IGBT. Ebenso ist im Datenblatt der Freilaufdiode ein Durchlassspannungsabfall (V_f) angegeben, der mit dem erwarteten durchschnittlichen Diodenstrom multipliziert werden kann, um seinen Beitrag zur gesamten Verlustleistung zu ermitteln. Um die beste Annäherung für PWM-Anwendungen zu erhalten, müssen Arbeitszyklen berücksichtigt werden. Diese Schätzungen sind tendenziell konservativ, da V_CE(sat) in der Praxis niedriger ist als der Datenblattwert, wenn der Strom kleiner ist als der Nennstrom (I_C).

Bei Schaltfrequenzen unter 10 kHz ist der Großteil des Gesamtleistungsverlustes auf Leitungsverluste zurückzuführen. Geringe Leitungsverluste ergeben sich aus dem Leitungsmechanismus, der für einen bipolaren Negativ-Positiv-Negativ-Leistungstransistor (NPN) charakteristisch ist, bei dem V_CE bei Kollektorstrom nahezu konstant ist. Dies steht im Gegensatz zu einem Kanal mit niedrigem Widerstand wie beim MOSFET, bei dem der Spannungsabfall durch Multiplikation von Strom und Widerstand berechnet wird. Der IGBT-Sperrverlust wird üblicherweise aufgrund seines vernachlässigbaren Beitrags zum Gesamtleistungsverlust nicht berücksichtigt. Er kann berechnet werden, indem die Sperrspannung und der Leckstrom multipliziert werden, wenn der IGBT ausgeschaltet ist.

Da der Leitungsverlust den Gesamtverlust bei Motorsteuerungsanwendungen dominiert, werden die Sättigungsspannung und der Durchlassspannungsabfall zu kritischen Variablen im Design. V_CE(sat) sollte aufgrund der niedrigen Schaltgeschwindigkeitscharakteristik von Motoranwendungen so weit wie möglich reduziert werden. Ein beliebter Kompromiss zwischen Durchlassspannungsabfall und Schaltgeschwindigkeit wird in Anwendungen häufig genutzt, um die Kurzschlussfestigkeit zu verbessern.

Niedrig und langsam

Die Frage dreht sich dann darum, wie V_CE reduziert werden kann. Die Antwort liegt in einem härteren Gate-Antrieb, einer höheren Spannung (V_CC), einem niedrigeren Betriebsstrom und einer reduzierten Gate-Antriebsimpedanz.

Wie bereits erwähnt, unterliegt der IGBT aufgrund der Geräte-Tail-Time Beschränkungen hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit. Die Nachlaufzeiten können reduziert werden, wenn der V_CE(sat)-Wert des Geräts höher ist. Dieser Kompromiss lohnt sich jedoch möglicherweise nicht. Im Allgemeinen besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen Trägern und sowohl V_CE(sat) als auch der Schaltfrequenz. Das Vorhandensein von mehr Trägern führt zu einer langsameren Schaltfrequenz mit niedrigerem V_CE(sat). Umgekehrt führen weniger Träger zu einer höheren V_CE(sat) und Schaltfrequenz. Es wurden mehrere Technologien entwickelt, die sowohl die Schaltzeiten als auch den Durchlassspannungsabfall optimieren und gleichzeitig eine robuste Kurzschlussfestigkeit gewährleisten sollen.

Verluste visualisieren

Abbildung 4 veranschaulicht die grundlegenden Parameter des Schaltverlusts und des Leitungsverlusts über einen vollständigen Schaltzyklus. Beachten Sie, dass der Übergang bei 10 % und 90 % von V_GE, I_C und V_CE als wirksam gilt. Wenn die Gate-Emitter-Spannung (V_GE) den 10 %-Pegel erreicht, beginnt der Übergang zum Einschalten. Zeitverzögerungen werden gemessen, wenn die Wellenformen diese 10 %- und 90 %-Pegel überschreiten.

Die Zeit, die der IGBT zum Umschalten benötigt, wird als t3-t0 angegeben. Die Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, an dem V_GE 10 % erreicht, und dem Zeitpunkt, an dem I_C 10 % erreicht, wird durch t1-t0 angegeben. Die Anstiegszeit ist die Zeit, die I_C benötigt, um von 10 % auf 90 % anzusteigen, gegeben durch t2-t1.

E_on ist der Einschaltenergieverlust, also die Fläche unter der Leistungsverlustwellenform von 10 % I_C Anstieg, t1, bis 90 % V_CE Abfall, t3-t1. Die Wellenform des Leistungsverlusts wird durch Multiplikation von I_C und V_CE zu jedem Zeitpunkt berechnet und durch den schattierten Bereich unter E_on und E_off angenähert. E_off ist die Ausschaltenergie, die durch die Fläche unter der Kurve von 10 % V_CE Anstieg, t6, bis 90 % I_C Abfall, t7, angegeben wird.

Die Verzögerung bis zum Beginn des Spannungsübergangs zu einem hohen Wert, um den IGBT auszuschalten, wird als t6-t5 angegeben. Betrachtet man den Übergang von 90 % V_GE zu 10 % I_C, ist die Zeit durch t7-t5 gegeben. Die Verzögerung ab dem Zeitpunkt, an dem I_C von 90 % auf 10 % fällt, ist die Abfallzeit, die durch t7-t6 gegeben ist. Schließlich wird die Nachlaufzeit durch den nachlaufenden Kollektorstrom angezeigt, der von dem Zeitpunkt an besteht, an dem I_C auf die 10 %-Marke fällt, bis alle Ladungen eliminiert wurden und der Strom Null erreicht. Dies kann als Differenz von t8 zu t7 gemessen werden.

Fazit

Zusammenfassend bestehen die in einem Leistungsschalter zu berücksichtigenden Leistungsverluste aus: Leitungsverlust, Einschaltverlust, Ausschaltverlust und Sperrverlust. Die in diesem Dokument vorgestellten Berechnungen und Wellenformen wurden entwickelt, um Designern dabei zu helfen, die Auswirkungen verschiedener IGBT-Parameter und ihre Auswirkungen auf Leistungsverlust und Gesamteffizienz zu verstehen. Für praktische oder anwendungsspezifische Analysen kann ein Prüfstand verwendet werden, um die Leistung zu bewerten und Wellenformen zu messen, die typischerweise bei IGBTs auftreten. Da die in IGBTs integrierte Technologie hinsichtlich Effizienz und Robustheit immer weiter ausgereifter wird, ist mit einer Erweiterung des Anwendungsspektrums für IGBTs zu rechnen. Die Kompromisse bleiben gleich und der größte Leistungsverlust wird weiterhin der Schaltverlust oder der Leitungsverlust sein. Durch Messen und Manipulieren von IGBT-Parametern können Designer den Nutzen und die Anwendungsvorteile des Geräts maximieren.

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