Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und den gängigen Aufbau von Mittelspannungs-Hochleistungsgleichrichtern. Der Fokus liegt dabei auf den Strukturmerkmalen und aktuellen Entwicklungstrends von IGBT-Bauelementen. Zudem werden spezifische technische Aspekte erörtert, die bei der Anwendung von IGBT-Bauelementen zu beachten sind. 1 Überblick Die Entwicklung von Leistungselektronikbauelementen verlief über verschiedene Stufen wie Thyristoren (SCR), Abschaltthyristoren (GTO), Transistoren (BJT) und IGBTs. Aktuell geht die Entwicklung hin zu hoher Kapazität, hoher Frequenz, einfacher Ansteuerung, geringen Verlusten, Modularität und Verbundtechnologie. Im Vergleich zu anderen Leistungselektronikbauelementen zeichnen sich IGBTs durch hohe Zuverlässigkeit, einfache Ansteuerung, unkomplizierten Schutz, den Verzicht auf Pufferschaltungen und hohe Schaltfrequenzen aus. Um diese hohen Leistungsmerkmale zu erzielen, werden zahlreiche Prozesstechnologien aus der integrierten Schaltungstechnik eingesetzt, darunter Epitaxie, Ionenimplantation und hochauflösende Fotolithografie. Um die Spannungsfestigkeit von Leistungs-MOSFETs zu verbessern, ist eine Erhöhung des Einschaltwiderstands erforderlich, was jedoch den Einsatz der Bauelemente in Hochspannungs- und Hochstrombereichen einschränkt. Um diese Nachteile zu beheben, wurden in den 1980er Jahren Leistungs-IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) entwickelt, die Anfang der 1990er Jahre praktische Anwendung fanden. In den letzten Jahren hat sich die Leistungsfähigkeit von Leistungs-IGBTs rasant verbessert. Nennströme erreichen mehrere hundert Ampere und Spannungsfestigkeiten übersteigen 1500 V, Tendenz steigend. Da IGBTs die Durchlasscharakteristik von PIN-Dioden aufweisen, sind die Eigenschaften von P-Kanal-Leistungs-IGBTs denen von N-Kanal-IGBTs nicht wesentlich unterlegen. Dies ist ein großer Vorteil für den Einsatz komplementärer Strukturen in Anwendungen und erweitert somit deren Einsatzmöglichkeiten in der Wechselstrom- und digitalen Steuerungstechnik. Aktuell haben Leistungselektronikbauelemente im Mittelspannungs-Hochleistungsbereich mit GTOs, IGCTs, OGBTs und IEGTs einen wettbewerbsfähigen und innovativen Markt gebildet. In Hochleistungs- (1 MW) Niederfrequenz-Antriebsanwendungen (1 kHz), wie beispielsweise Elektrolokomotiven, bieten GTOs und IGCTs einzigartige Vorteile. Bei hohen Träger- und Chopperfrequenzen weisen IGBTs und IEGTs vielversprechende Entwicklungsperspektiven auf. Diese vier Bauelementetypen werden voraussichtlich die Hauptkomponenten im Bereich der Mittelspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichter darstellen. Der größte Vorteil von IGBTs ist ihre Fähigkeit, Stromspitzen sowohl im eingeschalteten als auch im Kurzschlusszustand zu widerstehen. Parallelschaltungen sind problemlos möglich, und aufgrund ihrer sehr kurzen Abschaltverzögerung lassen sich auch Reihenschaltungen einfach realisieren. Obwohl IGBT-Module in Hochleistungsanwendungen weit verbreitet sind, gibt ihre begrenzte Lebensdauer Anlass zu Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit. Die Hauptausfallursachen sind Unterbrechungen an den Lötstellen der Kathodenanschlüsse und die geringe Dauerfestigkeit dieser Lötstellen. Zusätzlich stellen Defekte im Isolationsmaterial ein Problem dar. Als IGBTs vor zehn Jahren erstmals auf der Weltbühne der Technologie erschienen, fiel es vielen trotz der Kombination der besten Fertigungstechnologien für Hochspannungs- und Hochstromthyristoren mit Mikrofertigungstechniken für großflächige integrierte Schaltungen und ihrer hervorragenden Gesamtleistung schwer, an die Eignung dieser Bauelemente für Hochleistungsanwendungen zu glauben. Inzwischen hat der IGBT enorme Fortschritte gemacht und eine neue Plattform für Geräteanwendungen geschaffen. 2. Modularisierung intelligenter MOS-Gate-IGBTs: Dank der verbesserten Hochfrequenzleistung von IGBTs können Treiber-, Schutz- und Fehlerdiagnoseschaltungen integriert werden, um intelligente Leistungsmodule zu realisieren, typischerweise mittels Spannungstriggerung. Durch den Einsatz verfeinerter Fertigungsprozesse für großflächige integrierte Schaltungen und die Kontrolle der Minoritätsträgerlebensdauer des Bauelements ist eine neue Generation von Leistungs-IGBT-Chips entstanden. Im Vergleich zur ersten Generation weisen IGBTs der dritten Generation deutlich verbesserte Sperrzeit- und Sättigungsspannungseigenschaften auf. IGBTs sind Kombinationsbauelemente aus Bipolartransistoren (BJTs) und MOSFETs. Sie nutzen den Leitfähigkeitsmodulationseffekt von BJTs im hochohmigen Driftbereich von VDMOS und verbessern so die Leitfähigkeit des Bauelements erheblich. Gleichzeitig besitzen sie die hohe Gate-Eingangsimpedanz von MOSFETs und sind daher spannungsgesteuert. Sie weisen sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten einen großen sicheren Arbeitsbereich auf. IGBTs haben traditionelle Thyristoren (SCRs), Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTOs) und Transistoren (BJTs) weitgehend verdrängt. 2.1 IGBT – PIM: IGBT-Module integrieren Gleichrichter-, Wechselrichter- und Rückspeisungsschaltungen, um Verluste und Kosten zu reduzieren. Dieser neue Modultyp wird als Leistungsintegriertes Modul oder PIM (Power Integrated Module) bezeichnet. IGBT-Module sind Hochgeschwindigkeitsschalter. Die vierte Generation des IGBT nutzt in ihrer Entwicklung hauptsächlich die folgenden neuen Technologien. (1) Die FWD-Technologie (Free Wheeling Diode) nutzt Dioden, die die Durchlassspannung (VF) im Modul reduzieren. Tests zufolge werden in den Serien 600 V und 1200 V die vom Wechselrichter bei einer Trägerfrequenz von 10 kHz erzeugten Verluste im Vergleich zu den Vorgängermodellen um 20 % reduziert. (2) Durch die Miniaturisierung der Ätztechnologie der Moduleinheiten konnte die Breite der Steuerelektrode (LH) optimiert werden. Dadurch lässt sich die Sättigungsspannung VCE (SAT) zwischen Kollektor und Emitter um 0,5 V senken, was die Schaltverluste reduziert. (3) Die NPT-Technologie (Non-Punch Through) steuert die Trägerlebensdauer und reduziert so die Temperaturabhängigkeit der Schaltverluste. Dadurch lassen sich die Schaltverluste im Langzeitbetrieb verringern. Die Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsschalter wie IGBTs beschränken sich im Wesentlichen auf hohe Schaltgeschwindigkeit und flexible Erholung. Beim Vergleich von Durchlassspannung VF und Erholungsverlust Err ist es vorteilhaft, im Design einen höheren VF-Wert zu wählen. Wird jedoch im Niederfrequenzbetrieb des Frequenzumrichters ein hoher VF-Wert verwendet, verlängert sich die Einschaltzeit des FWD und die durchschnittlichen Verluste steigen. Dies führt auch zu einem erhöhten Temperaturanstieg des Frequenzumrichters bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment. Aus diesem Grund wurde bei der IGBT-Generation der vierten Generation besonderes Augenmerk auf die optimale Elektrodenstruktur gelegt. Dadurch wird das Verhältnis von VF zu Err verbessert, der VF-Wert des FWD um 0,4 V bis 0,5 V gesenkt und die Gesamtverluste um 20 % reduziert. 2.2 Merkmale der NPT-IGBT-Module der P-Serie: Die IGBT-Serie FUJIP wird im NPT-Verfahren gefertigt, was gegenüber PT-IGBTs (PunchThrough) Vorteile bietet. Sie eignet sich besonders für Frequenzumrichter, AC-Servosysteme, USV-Anlagen, Schweißstromversorgungen und weitere Anwendungsbereiche. Ihre wichtigsten Merkmale sind: (1) Die Nennstromstärke ist bei Tc = 800 °C angegeben. (2) Die VCE (SAT) der IGBT-Serie P ist proportional zur Temperatur und ermöglicht eine einfache Parallelschaltung. (3) Der Temperaturkoeffizient der Schaltverluste ist geringer als der von PT-IGBTs. Bei steigender Sperrschichttemperatur nehmen die Schaltverluste weniger stark zu als bei PT-IGBTs. Daher eignet sich das Modul der P-Serie besser für Hochfrequenzanwendungen. (4) Die Module der 1400-V-Serie können in Leistungswandlern von AC 380 V bis 575 V eingesetzt werden. (5) Die P-Serie, insbesondere das 1400-V-Modul, bietet einen größeren sicheren Arbeitsbereich als PT-IGBTs. Sowohl der sichere Arbeitsbereich bei Sperrspannung (RBSOA) als auch der sichere Arbeitsbereich bei Kurzschluss (SCSOA) sind rechteckig. Der RBSOA kann den doppelten Nennstrom, der SCSOA den zehnfachen Nennstrom erreichen. Dadurch kann die Absorptionsschaltung deutlich vereinfacht und die Kurzschlussfestigkeit erheblich verbessert werden. (6) Geringe Verluste und sanftes Schalten. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (dv/dt) beträgt nur die Hälfte derjenigen herkömmlicher Module, wodurch elektromagnetische Störungen (EMI) deutlich reduziert werden. IGBTs sind mittlerweile in der vierten Generation verfügbar. Siemens/EUPEC bietet IGBT-Module mit Strömen von 10 A bis 2,4 kA und Spannungen von 600 V bis 3,3 kV an. Am Beispiel des 1,2 kA/3,3 kV-IGBTs lässt sich zeigen, dass dessen Gate-Emitter-Spannung nur 15 V beträgt, was mit geringer Triggerleistung, niedrigen Abschaltverlusten und effektiver Steuerung von di/dt und du/dt einhergeht. Derzeitige Forschungs- und Anwendungsbereiche für Hochspannungs-IGBTs liegen bei 600 A bis 800 A/6,5 kV und einer Betriebsfrequenz von 18 kHz bis 20 kHz. Technologisch gesehen werden für die Entwicklung von Hochspannungs-IGBTs hauptsächlich folgende Maßnahmen ergriffen: Erstens wird eine Grabenstruktur verwendet, wodurch der Widerstand des Sperrschicht-Feldeffekttransistors unterhalb des Gates, der in der P-dotierten Basis eingebettet ist, eliminiert wird. Dies verbessert das Verhältnis zwischen reduziertem Durchlassspannungsabfall und optimierten Frequenzeigenschaften. Zweitens wird eine Non-Punch-Through-Struktur (NPT) anstelle einer Punch-Through-Struktur (PT) verwendet, da NPT-IGBT-Chips einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen und sich leicht parallel schalten lassen, was für Hochleistungs-IGBTs unerlässlich ist. Drittens sind Hochspannungs-IGBTs Hochfrequenzbauelemente, daher ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von großer Bedeutung. Induktive Gehäusetechnologien gewährleisten einen langfristig zuverlässigen Systembetrieb. Hochspannungs-IGBTs mit hoher Kapazität eignen sich für planare Gehäusestrukturen. 3. Grundlegende Eigenschaften von IGBTs der vierten Generation 3.1 Trench-Struktur Wie bei verschiedenen Leistungshalbleitern beruht die Entwicklung von IGBTs hin zu höheren Leistungen auch bei IGBTs auf dem Ziel, den Spannungsabfall im Durchlasszustand zu reduzieren und die Schaltgeschwindigkeit (Verkürzung der Abschaltzeit) zu erhöhen. Bei herkömmlichen IGBTs der ersten und zweiten Generation verläuft der MOS-Kanal parallel zur Oberfläche des Siliziumwafers. Sein Durchlassstrom setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: der MOS-Komponente (IMOS) und der Thyristor-Komponente (ISCR). Um ein Latch-up zu verhindern, muss die MOS-Komponente dominieren. Unweigerlich befindet sich in ihrem Strompfad ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) mit Widerstand (RJFET), der unterhalb des Gates und zwischen der p-dotierten Basis liegt. Dies behindert die Verbesserung der Frequenzcharakteristik und die Reduzierung des Durchlassspannungsabfalls. IGBTs der vierten Generation nutzen ein spezielles Verfahren zur Erzeugung einer Grabenstruktur. Dadurch entfällt der RJFET, und der MOS-Kanal verläuft senkrecht zur Siliziumwaferoberfläche. Die Zellgröße wird so um bis zu 20 % reduziert. Dies verbessert die Siliziumwafer-Ausnutzung, reduziert den Durchlassspannungsabfall und eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Frequenzparameter. 3.2 IGBT-Hochspannungsentwicklung: 1993 brachte das deutsche Unternehmen EUPEC (European Power Electronics Company) ein 3,2-kV/1,3-kA-IGBT-Modul auf den Markt. Dieses bestand jedoch aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten IGBT-Chips. Dies kann lediglich als Versuch der Hochspannungsentwicklung betrachtet werden. Früher ging man davon aus, dass die Spannung von IGBTs 2 kV nicht überschreiten könne, da IGBTs unter 1,2 kV aus hochohmigen epitaxialen Siliziumwafern gefertigt wurden. Um 1,5 kV zu erreichen, müsste die Dicke der Epitaxieschicht 180 µm überschreiten, was praktisch unmöglich war. 1996 brachte Toshiba (Japan) einen 2,5 kV/1 kA IGBT mit der gleichen Flachplatten-Presspassungs-Gehäusestruktur wie Hochleistungsthyristoren und GTOs auf den Markt. Dieser durchbrach die Grenzen epitaxialer Wafer durch die Verwendung hochohmiger einkristalliner Siliziumwafer mit (110)-Kristallebenen. Die Waferdicke überstieg 300 µm und sorgte so für ausreichende mechanische Festigkeit. 1998 wurde ein Einzelröhren-IGBT mit einer Nennspannung von 4,5 kV entwickelt. Die Herstellung eines Einzelröhren-IGBTs mit hohem Strom war jedoch nicht möglich. Die Herstellung von IGBTs erfordert mehr als zehn feine Fotolithografie-Schichten und die entsprechende Hochtemperaturverarbeitung. Bei ausreichend großen Strukturen sinkt die Ausbeute rapide, bis hin zu null. Daher müssen Hochleistungs-IGBTs parallel gefertigt werden. Der 2,5-kV/1-kA-IGBT von Toshiba besteht aus 24 parallel geschalteten 2,5-kV/80-A-IGBT-Chips und 16 antiparallel geschalteten ultraschnellen 2,5-kV/100-A-FREDs (Freilaufdioden). Eine einsträngige, mehrfach parallele Struktur ist für die hohe Leistungsfähigkeit von IGBTs unerlässlich. Die Verwendung einer NPT-Struktur ist eine notwendige Voraussetzung für die freie Parallelschaltung der IGBTs. 3.3 Die Entwicklung von Thunderbolt-IGBTs: Die Betriebsfrequenz von IGBTs war lange Zeit auf unter 20 kHz begrenzt, in Schaltungen mit Soft-Switching-Topologien waren sogar Werte unter 50 kHz möglich. Viele Schaltnetzteile nutzten höhere Frequenzen, vorwiegend durch Leistungs-MOSFETs. 1998 entwickelten IR (WARP-Serie) und APT (GT-Serie) basierend auf Technologie der vierten Generation ein neues Bauelement, den Thunderbolt-IGBT, und vollzogen damit den Übergang von der zweidimensionalen zur dreidimensionalen Integration. Seine Nennspannung beträgt 600 V, der Nennstrom 0–100 A. Die Betriebsfrequenz im Hard-Switching-Betrieb erreicht bis zu 150 kHz, im Soft-Switching-Betrieb mit Resonanzinverter sogar bis zu 300 kHz. Seine Schaltcharakteristik ähnelt der eines Leistungs-MOSFETs, während seine Stromdichte 2,5-mal so hoch ist. Das heißt, bei gleichem Strom wird die Fläche des Siliziumwafers deutlich reduziert, wodurch die Kosten sinken. 3.4 Rückwärtsleitende und bidirektionale IGBTs Diese IGBT-basierten Bauelemente wurden für verschiedene Anwendungsschaltungen entwickelt. 4 Zu beachtende Punkte bei der Verwendung von IGBT-Modulen Der Aufbau eines IGBT ähnelt dem eines MOSFET. Hinsichtlich des Ersatzschaltbilds und der Funktionsweise kann ein IGBT als Darlington-Transistor mit MOS-Eingang betrachtet werden, wobei die Eingangsstufe ein MOSFET und die Ausgangsstufe ein PNP-Transistor ist. Bei der Verwendung von IGBT-Modulen sind folgende Punkte besonders zu beachten: 4.1 Antistatische Maßnahmen Der VGE-Garantiewert eines IGBT beträgt ±20 V. Das Anlegen einer Spannung über diesem Wert kann das IGBT-Modul beschädigen. Daher empfiehlt es sich, einen Widerstand von ca. 10 kΩ zwischen Gate und Emitter anzuschließen. 4.2 Treiberschaltungsdesign: Streng genommen hängt die volle Leistungsfähigkeit eines IGBT-Bauelements vom Design der Treiberschaltung ab. IGBT-Treiberschaltungen müssen eine geeignete Vorwärts-Gate-Spannung, eine ausreichende Rückwärts-Gate-Spannung, eine ausreichende elektrische Isolation am Ein- und Ausgang sowie eine Gate-Spannungsbegrenzungsschaltung bereitstellen. 4.3 Schutzschaltungsdesign: IGBT-Module können durch Überstrom, Überspannung und andere anormale Phänomene beschädigt werden. Daher ist es unerlässlich, auf Basis eines umfassenden Verständnisses der Bauelementeigenschaften Schutzschaltungen gegen Überspannung, Überstrom und Überhitzung zu entwickeln, die auf die Bauelementeigenschaften abgestimmt sind. 4.4 Wärmeableitungsdesign: Abhängig von der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur (Tj) des IGBT-Moduls müssen zunächst die vom Bauelement erzeugten Verluste berechnet werden. Der Kühlkörper sollte anhand dieser Verluste so gewählt werden, dass die Sperrschichttemperatur unter dem zulässigen Wert bleibt. Bei unzureichendem Wärmeableitungsdesign kann die zulässige Temperatur selbst unter moderaten Betriebsbedingungen überschritten werden, was zu einer Beschädigung des Bauelements führen kann. 4.5 Gate-Serienwiderstand (Rc) : Bei IGBTs reduziert ein höherer Gate-Widerstand die Sperrüberspannung der Freilaufdiode beim Einschalten und den Einschaltstrom bei Kurzschlüssen im eingeschalteten Zustand. Allerdings erhöhen sich dadurch die Ein- und Ausschaltverluste, was die Ein- und Ausschaltzeiten verlängert. Daher empfiehlt es sich, zwei Serienwiderstände, RG(on) und RG(off), zu konfigurieren und die spezifischen Anwendungsanforderungen im Design zu berücksichtigen. Beispielsweise ist bei Hochspannungsdioden die Erholungszeit tendenziell länger, und RG(on) sollte 2- bis 4-mal größer sein als der im Produktkatalog empfohlene Wert. 5. Neues Hochleistungs-IGBT-Modul – Elektroneninjektions-verstärkter Gate-Transistor (IEGT): Die Toshiba Corporation in Japan hat in den letzten Jahren den IEGT entwickelt. Wie der IGBT verfügt er über planare und Trench-Gate-Strukturen. Das erstgenannte Produkt wurde erfolgreich entwickelt und steht kurz vor der Markteinführung, während sich das letztgenannte noch in der Entwicklung befindet. Der IEGT vereint die Vorteile von IGBTs und GTOs: geringe Sättigungsspannung, großen sicheren Arbeitsbereich (die Absorptionskapazität des Schaltkreises beträgt nur etwa ein Zehntel derjenigen von GTOs), geringe Gate-Ansteuerleistung (zwei Größenordnungen niedriger als bei GTOs) und hohe Betriebsfrequenz. Darüber hinaus verwendet das Bauelement eine flache, eingepresste Elektrodenstruktur, die eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten soll. Im Vergleich zu IGBTs zeichnet sich die IEGT-Struktur hauptsächlich durch ihre größere Gate-Länge und den höheren lateralen Widerstand nahe dem Gate-Übergang in der n-langen Basiszone aus. Daher können die vom Kollektor in die n-lange Basiszone injizierten Löcher nicht wie bei IGBTs ungehindert lateral durch die p-Zone zum Emitter fließen; stattdessen bildet sich in dieser Zone eine Lochakkumulationsschicht. Um die elektrische Neutralität dieser Zone aufrechtzuerhalten, muss der Emitter eine große Anzahl von Elektronen über den n-Kanal in die n-lange Basiszone injizieren. Dies führt zu einer hohen Ladungsträgerkonzentration auf der Emitterseite der n-langen Basiszone und erzeugt eine Ladungsträgerverteilung ähnlich der in einem GTO. Dadurch wird der Widerspruch zwischen hoher Strom- und hoher Spannungsfestigkeit effektiv aufgelöst. Aktuell erreicht dieses Bauelement eine Belastbarkeit von 4,5 kV/1 kA.