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Neue IGBTs für 4,5 kVBulent Aydin, ABB-Pressekonferenz, 11. Februar 2010

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Einsatz von Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

ABB setzt die IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)-Leistungshalbleiter bereits seit 1997 in HGÜ-Anlagen der HVDC-Light-Technologie ein.

Im Gegensatz zu Thyristoren sind IGBTs abschaltbare Transistoren. Die Anlage benötigt so weniger passive Bauelemente und wird kompakter.

Die erste Generation verfügte über eine max. Stromstärke von 700 Ampere bei 2.500 Volt Sperrspannung.

Die folgende Generation beherrschte bereits bis zu 2.000 Ampere.

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Einsatz von Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

Die neueste Generation vereint nun die erhöhte Sperrfähigkeit, die bereits bei Bahn-Anwendungen im Einsatz ist, mit der bewährten Druckkontakttechnik für die in der Energieübertragung notwendige Reihenschaltung.

Mit 2.000 Ampere bei 4.500 Volt Sperrspannung wurden die ursprünglichen Werte der schaltbaren Leistung mehr als vervierfacht.

Um eines dieser neuen Module zu ersetzen, würde man sechs der ursprünglichen Module benötigen: zwei in Reihe und je drei parallel.

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IGBT-Chips

Anders als bei integrierten Schaltungen stellt sich der Fortschritt nicht in der Miniaturisierung der Zellstrukturen dar.

Die einzelnen Transistoren haben sich kaum verkleinert, sie sind jedoch komplexer, dünner und leistungsfähiger geworden.

Siliziumsubstrat

Steuer- elektrode

(Gate)

Randabschluss

Aktive Fläche(Emitter)

IGBT-Zelle

Emitter

Collector

B

C

E

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IGBT-Chips

Eine moderne Zellstruktur erlaubt heute Schaltleistungen von etwa 1 MW/cm2 aktiver Fläche bei unvermindert guter Steuerbarkeit des Spannungsanstiegs über die Gate-Elektrode.

Etwa 100.000 dieser Transistorzellen werden pro cm2

integriert.

Siliziumsubstrat

Steuer- elektrode

(Gate)

Randabschluss

Aktive Fläche(Emitter)

IGBT-Zelle

Emitter

Collector

B

C

E

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Soft Punch-Through (SPT)-Struktur

Moderne Bauelemente verwenden Silizium mit höherem Grundwiderstand.

In Verbindung mit einer Stoppschicht stellt sich ein räumlich trapezförmiger Verlauf des elektrischen Feldes ein.

log(doping)

Kollektor

N-Basis

Emitter

NPT IGBT E-Feld (linear)

log(doping)

KollektorEmitter

SPT IGBT E-Feld (trapez)

N-Basis

StoppschichtSPT

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Soft Punch-Through (SPT)-Struktur

Bei vorhergehenden Generationen ohne Stoppschicht musste das räumlich elektrische Feld bis zum Kollektor abgeklungen sein.

Der daraus resultierende räumlich dreieckförmige Feldverlauf benötigte eine höhere Siliziumdicke.

Die entsprechenden Chips hatten deswegen deutliche höhere Durchlass- und Schaltverluste.

log(doping)

Kollektor

N-Basis

Emitter

NPT IGBT E-Feld (linear)

log(doping)

KollektorEmitter

SPT IGBT E-Feld (trapez)

N-Basis

StoppschichtSPT

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Vom Chip zum Package

Bis zu 72 Chips, d. h. 36 IGBTs und 36 Dioden, werden zu einem Modul integriert.

Herkömmlich würden die Chips zwischen Molybdän-Plättchen und dann zwischen Kupfer-Elektroden verpresst werden. Hier können jedoch bereits geringe Toleranzen in den Werkstücken zu Druckinhomogenitäten und damit einer inhomogenen Stromverteilung führen.

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Vom Chip zum Package

Bei der von ABB bevorzugten Variante werden daher alle Chips einzeln mit einer festen Federkraft beaufschlagt.

Zwölf dieser Chips werden in einem Submodul integriert. Davon können wiederum bis zu sechs in einem Gesamtmodul integriert werden.

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Vom Chip zum Package

In einer HGÜ-Anlage sind unter Umständen mehrere 1.000 solcher IGBTs integriert. Selbst bei konservativstem Design muss irgendwann mit einem Ausfall gerechnet werden.

Damit der Betrieb der Anlage ungestört weitergeführt werden kann, sind die IGBTs redundant ausgeführt. Das heißt, es sind mehr Elemente in Reihe geschaltet, als es für das Erreichen der Maximalspannung nötig wären.

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Vom Chip zum Package

Dieses Prinzip funktioniert aber nur, wenn jeder IGBT im Fehlerfall einen sicheren Kurzschluss darstellt.

Das kann mittels eines schnellen Thyristor-Kurz- schließers in Verbindung mit einem (langsameren) mechanischen Schalt- element sichergestellt werden.

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Sicherer Kurzschluss im Fehlerfall

ABB realisiert den sicheren Kurzschluss über das patentierteShort Circuit Failure Mode (SCFM)-Prinzip:

Direkt auf den Chip wird ein Aluminium Plättchen gepresst.

Durch die im Fehlerfall auftretende Wärme schmilzt an der Grenzfläche zum Chip etwas Aluminium. Dieses bildet mit dem Silizium eine Legierung und stellt so sofort einen nieder- ohmigen Kurzschlusspfad sicher.

Der Federweg gewährleistet, dass selbst bei großflächig geschmol- zenem Aluminiumplättchen noch ein guter Kontakt gegeben ist.Mo

Si

Al

Mo

Si

Al

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Evolution statt Revolution

Die neue Generation von Leistungs- halbleitern trägt zur führenden Rolle von ABB in der HGÜ-Technologie bei.

Ausgehend von bewährten und robusten Gehäusetechnologien wurde durch den Einsatz moderner IGBT-Strukturen eine leistungsstarke Modulfamilie für 4,5 kV Sperrspannung entwickelt.

Die Anzahl der pro MW benötigten Komponenten wird dadurch an- nähernd halbiert und die Verluste der entsprechenden Umrichter- stationen deutlich gesenkt.

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