Leistungshalbleiter Bauelemente

Lehrveranstaltung
„ Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“
Leistungshalbleiter
Bauelemente
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
([email protected])
Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
Halbleiterschalter
in der Leistungselektronik wird der aktive Betrieb
von Halbleiterbauelementen bewusst vermieden
• entweder ist die Spannung am Halbleiter ist  0
• oder der Strom im Halbleiter ist  0
leider sind die Halbleiterbauelemente keine idealen Schalter !
→ welche Forderungen muss man stellen ?
Schalter aus
Schaltvorgang
Schalter ein
• kleiner Sperrstrom
• schaltverlustarm
• kleiner Spannungsabfall
• bidirektionale Sperrung
• kurze Schaltzeiten
• bidirektionale Leitung
• hohe Sperrspannung
• Schaltzeitpunkt
frei wählbar
• hohe Stromtragfähigkeit
• hohes dU/dt
• keine Schutzbeschaltung
• hohes dI/dt
Verluste in realen Leistungshalbleitern
IGBT Turn-Off with Snubber
hard switching
with snubber
Gate voltage
Gate voltage
Collector voltage
Collector voltage
Eoff = 226µJ
Collector current
Eoff = 98µJ
Collector current
400V, 20A, 125°C, RG = 9.1Ω
current “pops up”
but losses are still greatly reduced in the semiconductor
the overall losses, however, increase
Lehrveranstaltung
„ Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“
Diode (→ Thyristor, GTO, IGCT)
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
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Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
Kennlinie einer Leistungsdiode
Ausschaltverhalten einer Leistungsdiode
PIN - Diode
… zur Sicherstellung
einer ausreichenden Spannungsfestigkeit …
… wird die Sperrschicht räumlich vergrößert …
p i n
… durch Einführung einer „intrinsischen“ Schicht
(= Halbleitermaterial ohne Dotierung)
zwischen der p-dotierten und n-dotierten Schicht …

PIN - Diode
Thyristor - Aufbau
A
A
C
A
Kennlinie eines Thyristors
Triac
/ GTO
GTO  IGCT
beides sind abschaltbare Thyristoren
allerdings nach unterschiedlichen Philosophien
GTO
IGCT
früher am Markt
(zu) spät am Markt
Abschaltvorgang :
durch Umleiten
eines Teils (ca. 30 %) des Laststroms
über das Gate
Abschaltvorgang :
durch Umleiten
des gesamten Laststroms
über das Gate
filigrane Struktur auf dem Chip
sehr aufwändige Treiberschaltung
Lehrveranstaltung
„ Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“
Transistor
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
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Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
der bipolare Leistungstransistor
Einschaltverhalten eines bipolaren Leistungstransistors
Ausschaltverhalten eines bipolaren Leistungstransistors
Darlington-Schaltung
Transistor in Sättigung
 UCE1 < UBE1
UCE1 =
0,3 V
UCE2 =
UBE1 = 0,7 V
UBE2 = 0,7 V

0,7 V
+ 0,3 V
= 1,0 V


Transistor kann nicht in Sättigung gehen
UCE2 >> UBE2
sehr große Durchlassverluste
Lehrveranstaltung
„ Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“
Feldeffekttransistor (FET)
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
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Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
Aufbau
Kanal : lang und dünn  hoher Innenwiderstand
Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
Aufbau
Kanal : immer noch dünn - aber nicht mehr so lang
 niedrigerer Innenwiderstand
Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
parasitärer pnp-Transistor
Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
parasitäre Kapazitäten
Lehrveranstaltung
„ Leistungselektronik – Grundlagen und Standard-Anwendungen“
IGBT
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
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Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Aufbau
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Aufbau und Ersatzschaltbild
bipolarer pnp-Transistor
Think of it as a MOSFET with low conduction loss.
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
parasitäre Kapazitäten
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
parasitärer (Latch-up-)Transistor
On-State Voltage Comparison – Same Die Size
•APT6038BLL: ID = 17A
•APT30GP60B: IC2 = 49A
On-State Voltage vs. Current
APT6038BLL (25 °C)
APT30GP60B (25 or 125 °C)
APT6038BLL (125 °C)
60
Voltage (V)
50
40
MOSFET 125 °C
30
MOSFET 25 °C
20
10
IGBT
0
0
10
20
30
40
Current (A)
•IGBT has lower on-voltage above about 4 Amps.
•MOSFET conduction loss is sensitive to temperature, the IGBT is not.
TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER
Conduction Loss Comparison – Same Die Size
Conduction Loss vs. Current (125 °C)
APT6038BLL
APT30GP60B
1400
Power (W)
1200
MOSFET
1000
800
600
400
IGBT
200
0
0
5
10
15
20
25
Current (A)
•IGBT has much lower conduction loss above about 4 Amps.
•IGBT has much better overload capability.
TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER
30
35
40
Switching Loss: 54A MOSFET vs. 72A IGBT
Power MOS 7 MOSFET
Power MOS 7 IGBT
VGS
VGS
Eoff = 1062 µJ
Current
Voltage
APT6010B2LL, 400V, 50A, 125 ºC, 5 Ohms
Eoff = 1058 µJ
Current
Tail current
Voltage
APT50GP60B, 400V, 50A, 125 ºC, 5 Ohms
•At 50A, the IGBT has lower conduction loss and lower switching loss.
•At less current, the MOSFET would have lower Eoff (no tail current).
•The IGBT is about half the size of the MOSFET – lower cost.
34
TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER
Application Comparison – Hard Switched Boost
Boost: Hard switched
Frequency vs. Current
APT15GP60B
400V, TJ = 125 C, TC = 75 C, 5
APT6029BLL
APT15GP60: IC2 = 30A
500
APT6029: ID = 21A
Frequency (kHz)
400
MOSFET
MOSFET is 2.5 times larger than IGBT.
300
IGBT has good overload capability.
IGBT
200
100
0
5
10
15
20
25
30
Current (Amps)
MOSFET is best at low current, very high frequency.
IGBT is best at high current.
IGBT is lower cost.
TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER
Advantage of IGBTs
• Lower cost – much smaller die size for same power.
• Excellent overload capability – linear conduction loss versus
current, very insensitive to temperature.
• Simple gate drive – can replace MOSFETs – positive only gate drive
• Highest speed IGBTs – turn-on is the same as a MOSFET, turn-off is
only slightly longer.
• Suitable for soft and hard switching – zero voltage or reduced
voltage turn-off not as good as MOSFETs.
TECHNOLOGY TO THE NEXT POWER
parallelschaltbare IGBTs
• zusätzliche Serien-Widerstände
• Halbleiterdesign mit integrierter Strecke
mit positivem Temperaturkoeffizienten
Siliziumkarbid (SiC)
• besseres (schnelleres ?) Schalten
• höhere Temperaturfestigkeit
• Spannungsabfälle ?
• wird nicht auf „ausrangierten“
Speicherfertigungsstraßen hergestellt
 Investitionskosten nicht vernachlässigbar
Top 20 power semiconductor players
TUM, Germany, 2014 by m.dal
40
Siliziumkarbid (SiC)
Reasons for Wide Band Gap Devices
Added Value and Related Impact
source :
Pierric Gueguen, Market & Technology Overview of Power Electronics Industry and Impact of
WBG Devices, Yole Développement, SEMICON Europa 2014, Grenoble, 09.10.2014
New Compound Semiconductors Switches
TUM, Germany, 2014 by m.dal
45
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Comparison Si  SiC
(switching) losses
source : www.infineon.com/sic; Power Electronics Europe ; Issue 6 2009
„Efficiency Improvement with Silicon Carbide Based Power Modules“
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
Quelle : Teresa Bertelshofer; Universität Erlangen
SiC Device Application Roadmap
source :
Pierric Gueguen, Market & Technology Overview of Power Electronics Industry and Impact of
WBG Devices, Yole Développement, SEMICON Europa 2014, Grenoble, 09.10.2014
Silicon Carbide (SiC)
• better (faster ?) switching
• higher temperature robustness
• voltage drops ?
• cannot be produced on
„outsourced“ production lines for memory chips
 investment cost not negligible
Key Characteristics of GaN vs. SiC vs. Si
source : ECPE
A Comparison between Si and SiC components
TUM, Germany, 2014 by m.dal
60
Galliumnitrid
• höherer Bandabstand
– (3,4 Elektronenvolt bei GaN gegenüber 1,1 Elektronenvolt bei Si)
– (für Halbleiterschalter) bessere Kristallstruktur
 höhere Betriebstemperaturen
… oder reduzierte Baugröße/Gewicht
• niedrigere Schaltverluste
… oder höhere Schaltfrequenzen
• geringe p-Dotierbarkeit ( geringe Löcher-Beweglichkeit )
 n-leitende, unipolare Bauelemente, selbstleitende Bauelemente
(selbstsperrende Elemente in Entwicklung)
• höhere Herstellkosten (wie bei SiC)
Siliziumkarbid (SiC)
Galliumnitrid
SiC
SiC-Leistungshalbleiterbauelemente zur Zeit stark im Aufwind (lt. Fa. Infineon)
… für Märkte über 1200 V (lt. Fa. International Rectifier)
Ergebnis des EU-Projektes HOPE :
JFETS eignen sich für DC-DC Wandler sehr gut,
für Antriebsumrichter jedoch nicht
GaN
GaN-Bauelemente sind Oberflächenbauelemente, sind daher gut integrierbar,
können jedoch nur geringe Ströme tragen
… in e-mobility Anwendungen noch keine Chancen für GaN
… aber aussichtreicher Kandidat für < 1200 V (lt. Fa. International Rectifier)
H.-P. Nee
H.-P. Nee
H.-P. Nee
H.-P. Nee
… „ausgetretene Pfade“ verlassen …
wir sind gewohnt, alles aus der Sicht von Spannungen zu betrachten
… daher ist der Kurzschluss für uns eine „Katastrophe“,
… die es zu vermeiden gilt !
… aus diesem Grund gelten selbstleitende Bauelemente als kritisch !
Wenn wir unser Denken umstellen
(Stromquellen bzw. Stromzwischenkreisumrichter) …
… wird der Kurzschluss zum „normalen“ Betriebszustand …
… und selbstleitende Bauelemente werden hochinteressant !!!
… „ausgetretene Pfade“ verlassen …
… selbstleitende Bauelemente können …
… in Stromzwischenkreisumrichtern problemlos eingesetzt werden
Viele DC/DC-Wandler sind Stromzwischenkreisumrichter !
… damit werden SiC- und GaN-Elemente sehr interessant …
… für leistungselektronische Schaltungen im Automobil !
Wenn wir unser Denken umstellen
(Stromquellen bzw. Stromzwischenkreisumrichter) …
… wird der Kurzschluss zum „normalen“
… aber nicht
Betriebszustand
in heutigen Topologien
…
!!!
… und selbstleitende Bauelemente werden hochinteressant !!!