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Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT) fi n-den sich in der Regel in Anwendungen wieder, die auf hohe Nenn-spannungen und Nennströme setzen und gleichzeitig niedrige Schaltfrequenzen benötigen. Weil – wenn die Schaltfrequenz nied-rig ist – wiegen die niedrigen Leitungsverluste, die sich aus der niedrigen Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (VCE(on)) des Bau-steins ergeben, schwerer, als die schlechte Schaltleistung und er-möglichen dadurch einen hohen Gesamtwirkungsgrad.

Schaltverlusten entgegenwirkenUm nun dynamische und statische Verluste drastisch zu senken, nahm International Rectifi er die Herausforderung an und setzt auf die Depletion-Stop-Trench-Technologie. „Moderne IGBT, die von der Depletion-Stop-Trench-Technologie profi tieren, adressieren die Forderung nach niedrigen Leitungs- und Schaltverlusten, und sie sind mit bis zu 60 Prozent mehr Eff ektivstrom belastbar als Vor-gängerbausteine“, erklärt Vijay Bolloju, Systems Development Ma-nager, Motion Applications Center von International Recitifi er in El Segundo, Kalifornien, den Vorteil des frisch entwickelten Bau-steins. Diese Entwicklung resultiert in kleineren diskreten IGBT und IGBT-Modulen und bietet somit auch die Möglichkeit, die Baugröße des Kühlkörpers zu verkleinern.

„Schaltverluste in IGBT re-sultieren aus der langsamen Verbreitung von Löchern im Drift -Bereich, nachdem die Gatter-Emitterspannung unter die Schwellenspannung abfällt, um den Baustein abzuschalten“,

berichtet Bolloju aus seiner Erfahrung. Was dagegen tun, fragt Zeus? Dafür gibt es die Möglichkeiten, entweder die Löcher zu rekombi-nieren oder aber ein Spannungsgradient räumt sie aus. Bis zur Been-digung dieses Vorgangs zeigt der IGBT einen Teilstrom, der die Schaltgeschwindigkeit verlangsamt und die Schaltverluste erhöht. Der Punch-Th rough-IGBT (PT-IGBT) führt eine dem Drift -Bereich benachbarte Puff erschicht ein, um während des Abschaltens die ver-bleibenden Löcher zu absorbieren. Allerdings geht diese verbesserte Schaltleistung zu Lasten einer höheren VCE(on). „Zudem sind PT-IGBT nicht resistent gegen Kurzschlüsse“, weist International Rec-tifi ers Systems Development Manager auf den Nachteil der PT-Tech-nologie hin und erklärt: „Gerade diese Eigenschaft ist für die meisten Motorregleranwendungen wichtig“.

Depletion-Stop-Trench-IGBT-Technologie einsetzenUm nun die verloren gegangene Leitungs-Performanz wiederzuge-winnen, kommt eine Trench-Struktur zum Einsatz, die die Kanal-dichte im Vergleich zur herkömmlichen, planaren IGBT-Struktur erhöht. Weitere Faktoren, die die VCE(on)-Performance verbes-sern: eine verbesserte Injektion der Anreicherungsschicht sowie das Eliminieren des parasitären Sperrschicht-FET-Widerstands,

welcher mit der planaren IGBT-Struktur verbunden ist. Zusätz-lich hat der amerikanische Her-steller eine niedrig dosierte Field-Stop-Layer in den Trench-IGBT eingeführt, die den Kom-promiss zwischen VCE(on) und Schaltverlusten aufgrund einer schmaleren Dicke in der n-Basis

„Moderne IGBT, die von der Depletion-Stop-Trench-Technologie profi tieren, sind mit bis zu 60 Prozent mehr Effektivstrom belastbarer als Vorgänger-generationen“, so Vijay Bolloju von International Rectifi er im kalifornischen El Segundo.

Die Friedenspfeife rauchenSchaltverluste durch moderne IGBT-Technologie mindern

Bislang fanden IGBT ihren Einsatz in Applikationen, die von hohen Nennspannungen und -strömen bei verhältnismäßig niedrigen Schaltfrequenzen abhängig waren. Dass das nicht mehr sein muss, zeigt dieser Beitrag, der sich mit der Depletion-Stop-Trench-IGBT-Tech-nologie beschäftigt, die Vorteile wie niedrige Leitungs- und Schaltverluste mit sich bringt.

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verbessern soll. Die Depletion-Stop-Schicht macht ein weiteres Ausdünnen der n-Basis, eine höhere Transistorverstärkung sowie eine höhere Schaltgeschwindigkeit möglich. „Zusätzlich weist der optimierte Baustein hoch effi ziente Anodeneigenschaft en auf, die eine bessere Regelung über Minoritätsträgerinjektion sowie einen geringeren Teilstrom beim Abschalten ermöglichen, was wiederum zu einer weiteren Senkung der Abschaltverluste führt“, erläutert Vijay Bolloju.

Strombelastbarkeit verbessernDie Th in-Wafer-Depletion-Stop-Trench-IGBT-Technologie glänzt durch einen verbesserten Wirkungsgrad bei gleichzeitig sanft er Abschaltcharakteristik und sicherem Arbeitsbereich (Safe Ope-rating Area, SOA) – Charakteristiken, die von hart schaltenden Anwendungen verlangt werden. Sowohl VCE(on) als auch die Ge-samtschaltenergie (ETS) sind erheblich niedriger als bei IGBT in planarer PT- und NPT-Ausführung. Das Zusammenspiel von niedriger Sättigungsspannung und niedriger Gesamtschaltenergie senkt die Verlustleistung und verbessert die Strombelastbarkeit bei Applikationen, die mit Schaltfrequenzen bis 30 Kilohertz arbei-ten. „Außerdem bieten die Bausteine eine höhere Leistungsdichte, was zu einer Verringerung der Abmessungen des Kühlkörpers führt, oder sie machen ihn völlig unnötig“, weiß Bolloju.

Wie funktioniert die Technologie nun im Einzelnen? Betrachten Sie dazu Bild 1, das die dem Trench benachbarten Emitter-N+-Be-reiche zeigt. Im Fertigungsprozess wächst eine Oxidschicht auf den Trench-Wänden auf und scheidet anschließend Polysilizium ab, dass das Trench-Volumen ausfüllt. Eine P-Basis-Diff usion oder ein schweres P+-Implantat bilden Basiskontakt und Kanal. Der Deep- Trench erstreckt sich unter der Sperrschicht der P-Basis und bewirkt

so einen gatevorspannungsinduzierten Kanal zwischen dem N+-Emitter- und dem N-Drift -Bereich. Der P+-Bereich auf der Wafer-Rückseite verbessert den Anodenwirkungsgrad. Die Verbindung dieser Bausteinkonstruktion mit hoher Kanaldichte der Trench-Struktur erzielt eine hohe Trägerdichte im Drift -Bereich und einen niedrigen Abfall der Durchlassspannung. „Die Depletion-Stop-Trench-Technologie wurde entwickelt, um die IGBT-Schaltleistung für den Einsatz in Haushaltsgeräten und industriellen Antrieben zu maximieren“, so der Systems Development Manager von Internatio-nal Rectifi er. Bolloju weiter: „Der Baustein optimiert sowohl die

Die Elektronik trägt grünGrün ist die Farbe der Saison; Umweltbewusstsein gilt nicht nur in der Politik und Wirtschaft, sondern auch in der Elektronik als très chic. Waren diesbezüglich bereits auf der PCIM 2007 erste Baustei-ne des Unternehmens zu sehen, bietet International Rectifi er nun 600-Volt-IGBT, die beim Einsatz in Stromrichtern unter 2,5 Kilowatt, die Verlustleistung um bis zu 60 Prozent senken. Damit verbunden geht ein verbesserter Wirkungsgrad einher, was sich wiederum posi-tiv im Geldbeutel niederschlägt. Technologische Vorteile: niedrige Leitungs- und Abschaltverluste, Kurzschlussfestigkeit sowie kurze Einschalt- und Abschalt-Übergangszeiten. So erhält der Endverbrau-cher widerstandsfähigere und zuverlässigere Stromrichter.

Auf den Punkt gebracht

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PREIS liegt bei branchenüblichen Stückzahlen (ab 1000 Stück) zwischen US-Dollar 1,00 und 1,95

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Trägerlebensdauer im Drift -Bereich als auch die Trägerlebensdauer und die Dotierkonzentration im Depletion-Stop-Bereich nahe der Anode.“ Gewollter Side-Eff ekt: Anstieg des Leckstroms und der Baustein-Durchbruchspannung im Drift bereich.

Aufbau, Geometrie und Dotierung optimierenZudem verwendet das kalifornische Unternehmen einen Wafer mit 70 Mikron Dicke, der ein leichtes Dotieren der Anode ermög-licht und damit zu einer Senkung der gesamten gespeicherten La-dung beiträgt. Auf diese Weise wird die Schaltleistung des Bau-steins – insbesondere bei höheren Temperaturen – verbessert. Diese Optimierung des Aufb aus, der Geometrie und der Dotie-rung führt zu einer niedrigeren Sättigungsspannung und mini-mierten Schaltverlusten im Vergleich zu den bisher üblichen PT- und NPT-IGBT. Was heißt das nun? „In praktischen Anwendungen senken Depletion-Stop-Trench-IGBT die Verluste und liefern bis zu 60 Prozent mehr Eff ektivstrom als Bausteine der Vorgänger-generation. Bei einem gegebenen Strom benötigen diese Bausteine rund 50 Prozent kleinere Kühlkörper“, fasst Vijay Bolloju die Vor-teile der Technologie kurz zusammen. Somit eignet sie sich sowohl für diskrete IGBT als auch für intelligente Leistungsmodule, die in Haushaltsgeräten die Ansteuerschaltung mit 600-Volt-IGBT kom-binieren und somit eine um 25 Prozent kleinere Modulbaugröße ermöglichen.

Welche Vorteile machen sich konkret bei einem Leistungsver-gleich der 600-Volt-Trench-IGBT mit den bisher üblichen PT- und NPT-Bausteinen bemerkbar? Wie im Bild 2 zu sehen, weist der 600-

Volt-Trench-IGBT niedrigere Leitungsverluste auf. Dies be-stätigt auch Bild 3, wo ein Vergleich der Schalt-Charak-teristika gezeigt wird. Weite-rer Vorteil: Entwickler müssen ihre Gate-Ansteuerschaltungen nicht ändern, weil sich die Schwellen- und die maximalen Gate-Spannungen für diese Bausteine im gleichen Bereich bewegen wie bei PT- und NPT-Bausteinen. Darüber hinaus sprechen eine niedrige Gesamt-Gate-Ladung, kürzere Laufzeit-verzögerungen sowie kürzere

Einschalt- und Abschalt-Übergangszeiten für den Trench-IGBT. Aus diesem Grund sind Änderungen an den Totzeit- und Min-destimpulsbreiten-Einstellung des Reglers nicht von Nöten.

„Allerdings entsteht durch schnelleres Schalten das Risiko eines Fehleinschaltens des Low-Side-Bausteins eines Stromrichters, das durch schnelle dV/dt-Transienten verursacht werden kann“, be-nennt Bolloju einen möglichen Nachteil. „Fehleinschalten kann zu Brückenkurzschlüssen führen, welche die Zuverlässigkeit des Stromrichters beeinträchtigen und Frühausfälle zur Folge haben.“ Doch auch das haben die Entwickler der kalifornischen Power-Management-Schmiede im Griff . Der Depletion-Stop-Trench-IGBT weist ein hohes Verhältnis von Gate-Emitter-Kapazität (CGE) zur umgekehrten Übertragungskapazität (CRES) auf. So wird nach Herstellerangaben für eine Immunität gegen Fehleinschalten ge-sorgt, das durch hohes dV/dt induziert wird. Folge: eine wider-standsfähige Performanz – auch bei hohen dV/dt-Schaltbedin-gungen. Zudem bieten Trench-IGBT eine bessere Leistung als planare IGBT in Bezug auf Durchbruchspannung, Schaltenergie, Eff ektivstrom und Frequenzcharakteristik. „Die Depletion-Stop-Trench-IGBT zeigen eindeutig niedrigere Leitungs- und Schalt-energieverluste, was bei Stromrichteranwendungen, die mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten, einen höheren Wirkungsgrad zur Folge hat“, resümiert der Experte von International Rectifi er.

Zuverlässigkeit durch weniger Belastungen erhöhenDer Depletion-Stop-Trench-IGBT bietet noch weitere Merkmale, die beim Einsatz in der Antriebssteuerung nach Herstellerangaben eine stabilere Performanz garantieren. Als ein Beispiel ist die sanft e Abschaltcharakteristik des IGBT unter Kurzschlussbedingungen zu nennen, wodurch sich Spannungsspitzen und Belastungen des IGBT reduzieren lassen. Des Weiteren tritt keine Gate-Überladung bei Kurzschlüssen auf, was durchaus in älteren IGBT-Strukturen an der Tagesordnung ist. Diese Gate-Überladung führt wiederum zu einer Überstromspitze, die den Baustein belastet und die Zuver-lässigkeit des Stromrichters erheblich beeinträchtigt. Darüber hin-aus sorgt die rechteckige Reverse-Biased-Safe-Operating-Area-Kennlinie des Trench-IGBT für eine Verbesserung seiner Widerstandsfähigkeit, da sicheres Schalten unter starker Überlas-tung gewährleistet ist. „Dies ermöglicht zusammen mit einer ho-hen Spitzenabschaltfähigkeit und gutem Short-Circuit-Rating wi-derstandsfähigere und zuverlässigere Stromrichter, die sich für eine breite Vielfalt von Anwendungen eignen“, verkündet Vijay Bolloju nicht ohne Stolz. (eck) ■

Bild 2) Vergleich der Durchlassspannungs-Kennwerte unterschiedlicher

IGBT-Technologien. Der 600-Volt-Trench-IGBT bietet eine niedrigere

Sättigungs-Spannung als gängige Punch-Through- und Non-Punch-Through-

Bausteine. Folge: weniger Leitungsverluste.

Bild 3) Vergleich der Schaltenergie-Kennwerte unterschiedlicher IGBT-

Technologien, der zeigt, dass der Depletion-Stop-IGBT mit niedrigeren

Verlusten arbeitet als PT- und NPT-Komponenten.

Bild 1) Schematischer Querschnitt des

Depletion-Stop-Trench-IGBT, der die

Nachbarbereiche des Trenchs zeigt.

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