Leistungselektronik

Hilfsblätter zur "Leistungselektronik"
Empfohlene Literatur:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Grundlagen der Leistungselektronik
von: Klemens Heumann
Teubner Studienbücher
Leistungselektronik
von: Rainer Felderhoff
Carl Hanser Verlag
Leistungselektronik
von: Manfred Michel
Springer-Verlag
MOS-Bauelemente in der Leistungselektronik
von: Felix Schörlin
Franzis-Verlag GmbH
Leistungselektronik, Grundlagen und Anwendungen
von: Rainer Jäger
VDE-Verlag GmbH
Elektronik IV A, Leistungselektronik
von: Hans-Arno Künstler
Richard Pflaum Verlag
Leistungselektronik
von: Brosch, Landrath, Wehberg Vieweg-Verlag
Schaltnetzteile in der Praxis
von: D. Kilgenstein
Vogel Verlag
Schaltnetzteile und ihre Perpherie
von: Ulrich Schlienz
Vieweg-Verlag
Professionelle-Schaltnetzteil-Applikationen
von: Udo Leonhard Thiel
Franzis-Verlag
Schaltnetzteile – Funktionsprinzip und Nachbauschaltungen
von: Franz-Peter Zantis
Elektor-Verlag
ISBN 3-519-26105-7
ISBN 3-446-13830-7
ISBN 3-540-54471-2
ISBN 3-7723-4702-9
ISBN 3-8007-1114-1
ISBN 3-7905-01540-4
ISBN 3-528-03879-9
ISBN 3-8023-1436-0
ISBN 3-528-03935-3
ISBN 3-7723-4582-4
ISBN 3-928051-75-X
Die empfohlene Literatur ist in der Bibliothek der FH vorhanden. Die Literaturangaben 1 bis 6
unterstützen besonders die Vorlesung „Leistungselektronik“.
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
1
Inhalt
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
Leistungshalbleiter
Dioden
Thyristoren
Leistungstransistoren
MOS-gesteuerte Leistungsschalter
3
5
6
10
12
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Betrieb der Leistungshalbleiter
Beschaltung
Zündung
Kühlung
Schaltbedingungen in elektrischen Netzen
Kommutierung
16
16
17
21
23
24
3.
3.1
3.2
Halbleiterschalter und –steller
Halbleiterschalter
Halbleitersteller
27
27
31
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
Fremdgeführte Stromrichter
Netzgeführte Gleich- und Wechselrichter
Netzrückwirkungen
Netzgeführte Umrichter
Lastgeführte Wechselrichter
36
36
53
56
59
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
Selbstgeführte Stromrichter
Halbleitersteller für Gleichstrom
I-Umrichter
Frequenzumrichter
Schaltnetzteile
63
63
67
68
75
Emden im September 2014
G. Schenke, 9.2014
Prof. Dr.-Ing. G. Schenke
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
2
1.
Leistungshalbleiter
Alle Leistungshalbleiter enthalten einen oder mehrere PN-Übergänge, die für eine Spannungspolarität Sperrvermögen haben und bei entgegengesetzter Polarität einen Strom bei kleinem
Durchlassspannungsfall führen können!
Ausgangsmaterial ist heute im Allgemeinen Silizium-Einkristall, wobei das Kristallgitter vom
Diamanttypus mit Elektronenpaarbildung ist. Störstellen können eingebaut werden, wenn ein
Siliziumatom durch ein Element der 5. oder 3. Gruppe des periodischen Systems ersetzt wird. Für
besondere Anwendungen sind seit wenigen Jahren auch Halbleiter auf der Basis Siliziumcarbid
im Handel.
Donatoren:
N-Leiter (überschüssige Valenzelektronen)
(5. Gruppe z.B. Phosphor, Arsen, Antimon)
Akzeptoren:
P-Leiter (Defektelektronen)
(3. Gruppe z.B. Bor, Aluminium, Indium, Gallium)
Die elektrische Leitfähigkeit von reinen Halbleitern ist von der Bandlücke zwischen dem Valenzund dem Leitfähigkeitsband und von der Temperatur abhängig. Die Bandlücke beträgt bei
Germanium (Ge) 0,67 eV, bei Silizium (Si) 1,1 eV und bei Siliziumcarbid (4H-SiC) 3,3 eV.
Der Einsatzbereich liegt bei Germanium bis 80°C (nicht für Anwendungen in der
Leistungselektronik geeignet) bei Silizium bis 180°C und bei Siliziumcarbid bis 600°C (z.Zt.
wegen der Kosten nur für Sonderanwendungen).
Vergleich von spezifischen Widerständen
P- und N-leitendes Silizium
10-3 - 104 ·cm
Eigenleitung bei Silizium (20°C)
2·105 ·cm
Eigenleitung bei Germanium (20°C)
5·101 ·cm
Eigenleitung bei Siliziumcarbid (20°C)
> 1·107 ·cm
Metalle
2·10-6 ·cm
Nichtleiter
1012 - 1018 ·cm
Die spezifische Leitfähigkeit, der reziproke Wert des spezifischen Widerstandes, ist bei P- und Nleitendem Silizium nahezu proportional zur Störstellenkonzentration.
Gehäusebauformen
Die mit verschieden dotierten Schichten versehene Siliziumscheibe (das eigentliche Halbleiterbauelement) wird bei allen Leistungshalbleitern zum Schutz gegen mechanische Beschädigung
und atmosphärische Einflüsse in ein Gehäuse eingebracht. Dieses leitet außerdem die im
Leistungshalbleiter auftretenden Verluste an einen Kühlkörper ab.
Bei großen Leistungen werden vorzugsweise zweiseitig kühlbare Scheibenzellen eingesetzt.
Früher wurden bei mittleren Leistungen einseitig kühlbare Flachboden- oder Schraubbolzenzellen
verwendet.
Heute sind Leistungshalbleiter bei kleinen und mittleren Leistungen in Kompaktbausteinen
(Powerblock) elektrisch isoliert eingebaut. Häufig werden hierbei mehrere, auch unterschiedliche
Leistungshalbleiter zu Stromrichtern oder Teilstromrichtern in einem Kompaktbaustein
verschaltet.
Da bei Kompaktbausteinen der eigentliche Halbleiter gegenüber dem Gehäuseboden durch eine
Metalloxidschicht (gute Wärmeleitfähigkeit) elektrisch isoliert ist, wird die Montage auf einem
geeigneten Kühlkörper einfach.
Bei (sehr) kleinen Leistungen finden auch andere Gehäusebauformen wie z.B. TO 3, TO 220,
TO 247 .... Anwendung.
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
3
Thyristorscheibenbauform und Siliziumscheibe
auf Trägermaterial
Thyristorflachbodenbauform auf
Kühlkörper (alte Technik)
Powerblock mit 2 Thyristoren
Powerblocks in verschiedenen Ausführungen für IGBT´s
Bauformen von Leistungshalbleitern
Steuerungskontaktanschluss G
Kathodenanschluss K
Aufbau von Leistungshalbleitern in
Scheibenbauform
Keramik-Isolator
Siliziumscheibe
5
Anodenanschluss A
6
7
1a
1b
Kühlkörper
4
3
2
1 Lastwechselfeste Lötkontakte
2
3
4
5
6
7
a) spezielle Dickdrahtbondung
b) nur eine Lötschicht pro Chip
Niedriger Wärmewiderstand durch Aluminiumoxid-Keramik (Al2O3) oder AluminiumnitridKeramik (AlN)
Potentialfreier Aufbau, Spannungsfestigkeit der Isolation bis 4 kVRMS
Chip mit hoher Sperrspannungs-Langzeitstabilität
Robustes, fließarmes Kunststoffgehäuse, einfache und sichere Montage mit Schrauben auf
Kühlkörper
Hilfsmechanik sorgt für konvexe Bodenplatten, optimale Anpassung an Kühlkörper
Schutz der Chips gegen mechanische Beanspruchung durch Weichverguss
Aufbau von Kompaktbausteinen (Powerblock)
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
4
Powerblock FF 50 R 12 KF (oben) und
defekter Powerblock im zerlegtem Zustand
(links)
1.1 Dioden
Die Diode hat einen PN-Übergang. Bei positiver Anode fließt Durchlassstrom von der Anode zur
Kathode. Bei positiver Kathode sperrt der PN-Übergang, wobei nur ein sehr kleiner Rückwärtsstrom von einigen Milliampere auftritt, solange die maximal zulässige Sperrspannung nicht
überschritten wird.
+ Anode A
iA
P
N
_
iR
Kathode K
Aufbau (Schema)
negative
Sperrkennlinie
Durchlasskennlinie
iF
uA
Kennlinie
Halbleiterdiode
Von besonderer Bedeutung sind bei Leistungshalbleitern die zulässigen Grenzwerte für Strom
und Spannung. Aus diesen Grenzwerten ergeben sich durch Sicherheitsfaktoren für den Betrieb
empfohlene Nennwerte.
Der Dauergrenzstrom IFAVM ist der arithmetische Mittelwert des höchsten dauernd zulässigen
Durchlassstromes bei sinusförmigen Stromhalbschwingungen.
Für die Auslegung der Schutzeinrichtungen maßgebend sind der Grenzstrom, hier muss
Abschaltung erfolgen, der Stoßstrom, der nur einmal als Sinusschwingung bei 50 Hz aus dem
Nennbetrieb auftreten darf, und das Grenzlastintegral i2t.
Die Durchlassspannung uF ist die in Durchlassrichtung zwischen den Anschlüssen der Diode
auftretende Spannung. Sie beträgt bei Silizium 1 V bis 1,5 V.
Die höchstzulässige periodische Spitzensperrspannung URRM ist der höchste periodische
zulässige Augenblickswert der Sperrspannung. Ein Sicherheitsfaktor von 1,5 bis 2 sollte für den
Betrieb eingehalten werden.
Beispiel: UN = 400 V
U RRM
2 400 V (1,5 ... 2,0) 850 V ...1130 V
Siliziumdioden erreichen:
Sperrspannungen URRM > 8 kV
1. R Reverse, 2. R Repetitiv, 3. M Maximal
Dauergrenzstrom IFAVM > 8 kA
F Forward, AV Average Value, M Maximal
G. Schenke, 9.2014
Schaltzeichen
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
5
Die Durchlasskennlinie und besonders die Sperrkennlinie sind von der Temperatur des
Halbleiters, der Sperrschichttemperatur j, abhängig. Der Sperrstrom nimmt mit steigender
Sperrschichttemperatur stark zu. Für Siliziumdioden ist eine obere Sperrschichttemperatur
zwischen 150°C und 200°C zulässig.
Schaltverhalten
Das Schaltverhalten von Dioden wird durch den Durchlassverzug und den Sperrverzug
gekennzeichnet. Beim Einschalten vergeht eine sehr kurze Zeit, ehe der Durchlassstrom fließt,
weil zuerst Ladungsträger aus den hochdotierten Zonen in den PN-Übergang injiziert werden
müssen (Durchlassträgheit). Beim Ausschalten einer Diode erlischt der Strom nicht im
Nulldurchgang, sondern fließt zunächst in negativer Richtung weiter, bis die Basiszone (PNÜbergang) von Ladungsträgern frei geworden ist und Sperrspannung übernommen werden kann
(Sperrträgheit).
iF
iRRM
i
iF
ts
t
0
0,25 · iRRM
Qs
iRRM
0,9 · iRRM
ts
u
0
tf
trr
tf
Qs
uRM
trr
t
duR/dt
uR
uR
uR
Uk
Durchlassstrom
Spitzenwert des
Sperrstromes
Spannungsnachlaufzeit
Sperrverzugszeit
Rückstromfallzeit
Nachlaufladung
Scheitelwert der
Sperrspannung
Sperrspannung
= Uk
Kommutierungsspannung
uRM
Ausschalten einer Halbleiterdiode
1.2 Thyristoren (SCR Silicon Controlled Rectifier)
Der Thyristor ist ein Leistungshalbleiter mit vier Schichten abwechselnder Leitfähigkeit. Die
beiden äußeren Schichten sind höher dotiert. Der Steueranschluss (Gate) ist normalerweise an der
kathodenseitigen P-Zone angebracht.
Die Kennlinie eines Thyristors hat drei Äste: Die negative Sperrkennlinie wie bei der Diode (ir),
die positive Sperrkennlinie (iD) und die Durchlasskennlinie (iT).
Bei anliegender Spannung in Durchlassrichtung sperrt zunächst der mittlere PN-Übergang. Ein
positiver Steuerstrom lässt Ladungsträger in den PN-Übergang strömen, der PN-Übergang wird
leitend.
Die Durchlassspannung uT beträgt infolge von drei PN-Übergängen 1,2 bis 2,0 V.
Das Umschalten von der positiven Sperrkennlinie auf die Durchlasskennlinie erfolgt ohne
Steuerstrom, wenn die zulässige positive Spitzensperrspannung überschritten wird oder die
Spannungssteilheit einen kritischen Wert überschreitet (darf nicht periodisch erfolgen).
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
6
+ Anode A
IAM
P
N
P
Steueranschluss
iR
N
_
Durchlasskennlinie
iA Schaltrichtung
iD
i
IH
T
negative
Sperrkennlinie
uA
UAM
Kathode K
Aufbau (Schema)
Schaltzeichen
Thyristor (Vierschichttriode)
Kennlinie
Wichtige elektrische Kenngrößen eines Thyristors sind:
Höchstzulässige periodische negative Spitzensperrspannung URRM,
Nennstrom IN, der arithmetische Mittelwert des dauernd zulässigen Durchlassstromes,
Dauergrenzstrom ITAVM, Stoßstrom und Grenzlastintegral i2 · t.
Schaltverhalten
iGT
t
90%
iA
uA
pT
iA, uA
0
iGT
pT
tgd
tgr
tgs
Zündstrom
Durchlassverlustleistung
Zündverzugszeit
Durchschaltzeit
Zündausbreitungszeit
pT
10%
tgd
tgr
tgs
t
Einschalten eines Thyristors
Das Einschalten des Thyristors erfolgt nach der kurzen Zündverzugszeit t gd. Während der anschließenden Durchschaltzeit tgr sinkt die Anodenspannung uA von 90% auf 10%. In dieser
Zeitspanne wird der Maximalwert der Verlustleistung pT erreicht. Die Zündausbreitungszeit
tgs kann bis zu 100 µs dauern; sie ist vom Durchmesser des Halbleiters und vom Steueranschluss (Gate) abhängig.
Das Ausschaltverhalten des Thyristors entspricht dem der Diode. Jedoch müssen hier die
Ladungsträger aus zwei PN-Übergängen geräumt werden (zeitlich nacheinander). Ab dem
Zeitpunkt t2 nimmt die kathodenseitige Sperrschicht Sperrspannung auf und ab dem Zeitpunkt t4
auch die anodenseitige Sperrschicht (Bild: Ausschalten eines Thyristors).
Die wichtigsten dynamischen Eigenschaften sind die maximal zulässige Spannungssteilheit
(du/dt)krit, die maximal zulässige Stromsteilheit (di/dt)krit und die Freiwerdezeit tq.
Die Freiwerdezeit tq ist die Mindestzeit zwischen dem Nulldurchgang des Stromes von der
Vorwärts- zur Rückwärtsrichtung und der frühest zulässigen Wiederkehr einer positiven
Sperrspannung. In Schaltungen muss eine Schonzeit tc > tq vorgesehen werden.
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
7
trr
ts
iA
iA
0
0
10%
t1
t0
t2 t3
tc > tq
t4 t5
0
t
0
t
Uk
uA
trr
uA
Sperrverzugszeit
ts Speicherzeit
Ausschalten eines Thyristors
Thyristordaten
N-Thyristoren sind für Anwendungen bei Netzfrequenz von 50 Hz ... 60 Hz ausgelegt. Die
Freiwerdezeiten tq liegen bei diesen Thyristoren zwischen 100 s und 300 s.
F-Thyristoren mit niedrigen Freiwerdezeiten zwischen 8 s und 50 s sind für Schaltungen mit
Zwangskommutierung bei höheren Frequenzen geeignet..
N-Thyristoren erreichen:
Sperrspannungen URRM > 8 kV
Dauergrenzstrom ITAVM > 7 kA
Thyristorarten
Für Anwendungen im Mittelfrequenzbereich werden auch asymmetrisch sperrende Thyristoren
(ASCR) und rückwärtsleitende Thyristoren (RLT) eingesetzt. Durch den Einbau einer hochdotierten N-Zone wird beim ASCR die Sperrfähigkeit auf rd. 20 V beschränkt. Bei sonst gleichen
Daten wird die Dicke der N-Basiszone verringert, so dass sich das Durchlassverhalten verbessert
und die Freiwerdezeit etwa halbiert. Der rückwärtsleitende Thyristor besitzt zusätzlich einen
außen liegenden Diodenring.
Bei Mittel- und Hochspannungs-Stromrichtern werden zunehmend lichtgesteuerte Thyristoren
als zweiseitig kühlbare Scheibenzellen eingesetzt. Sie können so ohne Potentialprobleme für
den Steueranschluss (Gate) in Hochspannungskaskaden (z.B. HGÜ) in Reihe geschaltet
werden. Die zur Zündung notwendigen Ladungsträgerpaare werden durch Licht erzeugt, das
über Lichtleiter in das Thyristorgehäuse geführt wird. Da die mittels Licht übertragbare
Zündenergie gering ist, sind Gate-Strukturen mit hoher Einschaltempfindlichkeit erforderlich.
Direkt lichtgezündete Thyristoren stehen für Sperrspannungen URRM > 8 kV und
Dauergrenzströme ITAVM > 5 kA zur Verfügung.
Für selbstgeführte Stromrichter steht für hohe Leistungen der Abschaltthyristor (GTO) zur
Verfügung (nur noch selten).
Zur Steuerung von Wechsel- und Drehstrom finden Zweirichtungs-Thyristoren (Triac) bei
Spitzensperrspannungen bis 1500 V und Dauergrenzströmen bis 100 A Anwendung.
Triacs können Ströme in beide Richtungen führen. Sie enthalten in einer Siliziumscheibe zwei
gegenparallele PNPN-Zonenfolgen. Die Polarität des Zündstromes kann beliebig sein.
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
8
Abschaltthyristor (GTO, Gate-Turn-Off)
Abschaltbare Thyristoren können durch Steuerströme einer
0
Polarität gezündet und hohe Steuerströme entgegengesetzter
Polarität wieder gelöscht werden. GTO's haben - wie
-60
iG/A
konventionelle Thyristoren - eine Vierschichtenstruktur
abwechselnder Leitfähigkeit PNPN. Die Kathodenfläche ist in
800
Streifen geringer Breite aufgeteilt, die von Gate-Bahnen
600
umgeben sind.
uA/V
Nach dem Einsetzen des negativen Steuerstromes iG vergeht
400
eine Speicherzeit von einigen s bis der mittlere PN-Übergang
200
des Thyristors sperrt und der Steilabfall des Anodenstroms iA
0
einsetzt. Die Anstiegssteilheit der wiederkehrenden Anodenspannung uA wird durch Beschaltungskondensatoren bestimmt.
200
Nach dem Steilabfall bleibt ein kleiner, erst in einigen s
iA/A
abklingender Strom bestehen, der durch restliche Ladungsträger
in der N-Basiszone verursacht wird.
100
0
0
2
4
6 8
t / µs
Abschaltvorgang eines GTO-Thyristors
10
Zweirichtungs-Thyristortriode (Triac)
Bei der Herstellung des Triacs geht man von einem N-leitenden Si-Scheibchen aus, in das die
oberen und unteren P-Zonen und N-Zonen eindotiert werden.
G
A1
Gate
n
p
n
p
n
p p p
n n n
p
p p p
n
n
Hilfsthyristor- Hilfsthyristorstrecke 1 A2 strecke 2
n
p
n
Anode 1
p
A1
G
n
p
n
n
Anode 2
Kristallaufbau mit Hilfsthyristorstrecken
und Schnitt durch ein Triackristall
A2
Schaltzeichen des Triacs
Ein Triac arbeitet wie eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren. Er steuert beide Halbwellen eines Wechselstromes. Die Steuerung erfolgt über eine einzige Steuerelektrode (Gate).
Ein Triac hat zwei Anoden, die mit A1 und A2 bezeichnet werden.
Das Steuern vom hochohmigen Zustand (Blockierbereich) in den niederohmigen Zustand
(Durchlassbereich) erfolgt im Allgemeinen bei Anode A2 positiv gegen Anode A1 mit einem
positiven Steuerimpuls gegen A1 und bei Anode A2 negativ gegen Anode A1 mit einem negativen
Steuerimpuls gegen A1.
Grundsätzlich kann der Steuerimpuls auch die andere Polarität haben. Es sind dann jedoch
deutlich größere Steuerimpulse erforderlich. Die Steuerimpulse werden üblich mit Diacs
(Zweirichtungsdiode) erzeugt, die eine definierte Durchbruchspannung aufweisen (UB0 30 V).
Das Gate eines Triacs hat wie die Steuerelektrode eines Thyristors nach der Zündung ihre
Wirksamkeit verloren. Der Triac bleibt so lange niederohmig, bis der Haltestrom IH unterschritten
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
9
wird. Dann kippt er in den hochohmigen Zustand. Bei der Steuerung von Wechselstrom muss der
Triac in jeder Halbwelle erneut gezündet werden.
Kenn- und Grenzwerte
Grenzwerte sind die periodische Spitzensperrspannung UDR0M 400 V, der Durchlassstrom
IT 15 A und der Gate-Spitzenstrom (1 s) IGTM 4 A.
Übliche Kennwerte sind die maximale Durchlassspannung UTM
1,8 V, der Haltestrom
15 mA, der Spitzensperrstrom IDR0M 0,5 mA und der Gate-Triggerstrom IGT 20 mA.
1.3 Leistungstransistoren
Im Schaltbetrieb arbeitende Transistoren können als Stromrichterventile im Leistungsteil
eingesetzt werden.
Zur Leistungssteigerung ist sowohl Reihen- als auch Parallelschaltung von Leistungstransistoren
in einem Stromrichterzweig möglich.
Bipolare-Leistungstransistoren
Ein Transistor ist ein Verstärkerelement, das im Gegensatz zum Thyristor durch eine
Ladungsträgersteuerung stetig ausgesteuert werden kann. In der Leistungselektronik ist ein
Transistor voll gesperrt oder voll ausgesteuert, er arbeitet als Schalter. In der Leistungselektronik wurden Darlington-Leistungstransistoren (zwei unabhängige Transistoren auf einem
Chip) mit einer Stromverstärkungen von über 1000 eingesetzt. Hochvolttransistoren haben
Sperrspannungen UCE von rd. 1400 V bei Kollektorströmen bis 400 A.
Da bipolare Leistungstransistoren nur noch in älteren Anlagen eingesetzt werden, wird hier
nur auf die Hilfsblätter zur Vorlesung „Bauelemente der Elektrotechnik“, Kapitel 7
hingewiesen (gleiche Internetseite).
Kanal
Leistungs-MOS-FET
MOS-Feldeffekttransistoren (Metal-Oxide-Semiconductor) gehören zu der Gruppe der
Isolierschicht-Transistoren oder kurz IG-FET genannt. Die Anschlüsse Source und Drain sind von
der Steuerelektrode (Gate) durch eine Siliziumdioxid-Schicht (SiO2) isoliert.
MOS-FET lassen sich als N-Kanal-Typ
oder als P-Kanal-Typ herstellen.
Source
Wegen der günstigeren RDS(on)-Werte
UGS
werden in der Leistungselektronik
Gate
vorwiegend N-Kanal-MOS-FET eingesetzt.
n+
n+
Nach der Richtung des leitfähigen
p
p
UDS
Kanals unterscheidet man vertikale und
laterale (seitliche) MOS-FET.
n
n+
Aufbau eines vertikalen
N-Kanal-MOS-FET
Drain
Beim vertikalen FET ist der Widerstand RDS(on) klein, die Grenzfrequenz niedrig, die max. DrainSource-Sperrspannung UDS hoch und der Drainstrom ID hoch.
Beim lateralen FET ist der Widerstand RDS(on) groß, die Grenzfrequenz hoch, die max. DrainSource-Sperrspannung UDS niedrig und der Drainstrom ID niedrig.
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
FB Technik, Abt. E+I
10
Source
Drain
UDS
UGS
Gate
n+
Kanal
n+
Aufbau eines lateralen
N-Kanal-MOS-FET
n
p
p+
Substrat
Der MOS-FET lässt sich weiterhin nach der Transfer-Kennlinie (ID = f{UGS}) in zwei Klassen
einteilen.
ID
ID
UGS(off) UGS
Enhancement-Typ
UGS(off)
UGS
Depletion-Typ
Beim Enhancement-Typ (Anreicherungs-Typ) fließt der Drainstrom ID erst nach dem Überschreiten einer minimalen Gate-Source-Spannung UGS.
Beim Depletion-Typ (Verarmungs-Typ) fließt bereits ein Drainstrom ID bei der Gate-SourceSpannung UGS = 0. Die Steuerung erfolgt hier im Allgemeinen mit einer negativen Spannung.
In der Leistungselektronik werden vorwiegend N-Kanal-Enhacement-Metall-Oxid-SiliziumFeld-Effekt-Transistoren eingesetzt, die aus vielen kleinen Einzelelementen mit vertikalen
Strukturen bestehen, welche intern parallelgeschaltet sind.
MOS-Transistoren stehen für den
Al
Source Gate
SiO2
N+Poly-Si
unteren Leistungsbereich als abschaltbare Halbleiterbauelemente mit
kurzen Schaltzeiten und geringem
Steuerleistungsbedarf zur Verfügung.
Schaltfrequenzen bis über 100 kHz
+
+
+
p n
p
sind erreichbar.
L < 1 µm
n-
n+
Drain
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
Leistungs-Feldeffekt-Transistor
in SIPMOS-Struktur
FB Technik, Abt. E+I
11
Die völlig isolierte Gate-Elektrode erfordert bis auf die kapazitiven Umladeströme keinen
Eingangsstrom. Die Ansteuerung zwischen Source und Gate (10 V - 20 V) erfolgt damit nahezu
verlustlos.
Der Durchlasswiderstand RDS(on) ist grundsätzlich
0,4
UGS/V 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5
von der Gate-Source-Spannung UGS abhängig. Bei
hohen Sperrspannungen (UDS > 600 V) wird er
0,3
relativ groß, so dass eine hohe Verlustenergie
RDS(on)
auftritt.
0,2
8
9
0,1
0
0
4
8
12 16 20 24 28
ID / A
D
G
Abhängigkeit des Drain-Source-Widerstandes
RDS(on) von Drainstrom ID mit der
Gate-Source-Spannung UGS als Parameter
10
20
S
D
D
G
S
N- Kanal
G
S
G
N- Kanal
P- Kanal
D
S
P- Kanal
Depletion-Typ (Verarmungs-Typ)
Enhancement-Typ (Anreicherungs-Typ)
Schaltzeichen des MOS-FET (IG-FET)
1.4 MOS-gesteuerte Leistungsschalter
MOS-gesteuerte Leistungshalbleiter sind nahezu ideale Schalter für hohe Spannungen.
IGBT
Im IGBT (Isolated-Gate-Bipolar-Transistor) sind Bipolar- und MOS-Technologie verbunden.
Der IGBT verbindet die vorteilhaften Eigenschaften eines Bipolar-Transistors mit denen eines
spannungsgesteuerten Bauelements (MOSFET).
UGE
Emitter
E
Gate
n+
n+
n+
p+
n+
n
p+
p
G
UCE
n
n-
n
p
p
p+
C
Kollektor
Struktur des IGBT
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
Ersatzschaltung des IGBT
FB Technik, Abt. E+I
12
Der Herstellungsprozess des IGBT ist an die DMOS-Technik angelehnt. Auf ein P+-Substrat
ist eine N–-Epitaxieschicht aufgebracht und in weiteren Arbeitsschritten wird die MOS-Struktur eindiffundiert.
In normalen Betrieb liegt am Kollektor gegenüber dem Emitter positive Spannung. Beträgt
die Spannung zwischen Gate und Emitter Null, befindet sich die obere Sperrschicht
(P+-Wanne und N–-Epitaxieschicht) im Vorwärts-Sperrzustand und der IGBT lässt keinen
Stromfluss zu. Wenn nun eine ausreichend hohe positive Spannung zwischen Gate und
Emitter gelegt wird, beginnt ein MOSFET-Strom aus dem N+-Gebiet in die N–
-Epitaxieschicht zu fließen, der innerhalb der Chipstruktur zum Basisstrom des PNPTransistors wird und diesen in den Durchlasszustand schaltet. Dabei werden aus dem
P+-Substrat Minoritätsladungsträger in die N–-Epitaxieschicht injiziert. Diese Eigenschaft der
bipolaren Ausgangsstruktur verbessert die Durchlassspannung eines IGBT gegenüber dem
MOSFET um etwa den Faktor 10.
Die Anordnung dieser Schichten bedingt, dass der IGBT ein eingeschränktes Rückwärtssperrvermögen von wenigen Volt besitzt, das sich aber positiv auf die Schaltgeschwindigkeit
auswirkt. Diese Eigenschaft des IGBT ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem MOSFET,
der in seiner Chipstruktur hier eine parasitäre gegenparallele Diode mit unbefriedigenden
dynamischen Eigenschaften besitzt. Dem IGBT kann daher problemlos eine geeignete
schnelle Diode gegenparallel geschaltet werden, die in den meisten Schaltungen erforderlich
ist.
Gate
Al
Emitter
n+
p+
SiO2
N+Poly-Si
n+
Schnittbild eines IGBT
np+
Kollektor
Metall
+
+
+
Der IGBT ist prinzipiell ein N , P , N , P Thyristor in vertikaler Anordnung, der über einen
MOS-Transistor eingeschaltet werden kann. Der NPN-Transistor hat eine stark reduzierte
Stromverstärkung, damit der Thyristor ab einem bestimmten Strom nicht durchschaltet (latcht)
und nicht mehr über den MOS-Kreis abschaltbar ist.
Da ein Durchschalten beim IGBT unterbunden wird, verhält sich dieser
C Leistungshalbleiter wie ein spannungsgesteuerter "niederohmiger" Schalter für
hohe Spannungen. Er verhält sich wie ein MOS-gesteuerter bipolarer
Transistor. Seine Anschlüsse werden darum mit Kollektor (C), Gate (G) und
G
Emitter (E) bezeichnet.
E
Schaltzeichen des IGBT
Grundsätzlich gibt es den non-punch-through-IGBT (NPT-IGBT) und den punch-through-IGBT
(PT-IGBT). Beim PT-IGBT liegt zwischen p+-Rückseite und n-Gebiet eine hochdotierte n+Schicht. Diese hat die Aufgabe, den Durchgriff des elektrischen Feldes bei voller Sperrspannung
zum p+-Emitter zu verhindern. Hierdurch wird die kräftige Injektionswirkung des Emitters
reduziert. Beim NPT-IGBT wird die Trägerinjektion durch eine niedrigdotierte und dünne pEmitterschicht gering gehalten.
G. Schenke, 9.2014
Leistungselektronik
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100
uGE / V 20 15
10
80
iC / A
60
40
7
Höchstzulässige KollektorEmitter-Sperrspannung
UCES = 1200 V
6
20
0
8
Höchstzulässiger
Kollektorstrom
IC = 50 A
0
1
2
Höchstzulässige
Gate-Emitter-Spannung
UGE = ±20 V
3
4
5
uCE / V
Kollektorstrom iC in Abhängigkeit der Kollektor-Emitterspannung uCE mit der
Gate-Emitterspannung uGE als Parameter beim IGBT mit Inversdiode ( j = 25°C)
IGBT erreichen: Kollektor-Emitter-Sperrspannungen bis UCES = 6 kV bei einem KollektorDauergleichstrom IF = 600 A,
Kollektor-Dauergleichströme bis IF = 3600 A bei UCES = 1700 V.
Nutzen für den Anwender:
Der IGBT ist ein robustes, kurzschlussfestes Bauelement mit hohem Wirkungsgrad,
der Betrieb ohne Schutzbeschaltung ist möglich,
der Frequenzbereich reicht bis über 20 kHz,
die Treiberspannung beträgt rd. 15 V,
die Schaltverluste sind gering,
kompakte Gehäuseaufbauten stehen zur Verfügung.
MCT
Für Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen wurden in den letzten Jahren Halbleiterschalter entwickelt, welche die Vorteile der MOS-gesteuerten Leistungsschalter ausnutzen.
Der MCT (MOS-Controlled-Thyristor) kombiniert einen Thyristor mit zwei MOS-FET und
bietet lastseitig eine sehr hohe Stromtragfähigkeit (100 A/cm2 Chipfläche) bei geringer Durchlassspannung (1,4 V). MCT werden vorzugsweise als P-Kanal-Typen gebaut. Die weiteren Angaben
beziehen sich auf diesen Typ.
Die Ansteuerung des isolierten Gates erfolgt in Bezug auf die
A
Anode. Im ausgeschalteten Zustand sind beide bipolaren
Transistoren gesperrt. Hierzu muss die Gatespannung einen positiven Wert UGA +15 V aufweisen. Damit ist der N-Kanal FET
T1 angesteuert, er schließt die Basis T3 kurz. Der Thyristor ist
T1
T2
sicher gesperrt.
G
Wechselt die Steuerspannung auf UGA -15 V, dann wird der
p
n
FET T1 gesperrt und der P-Kanal FET T2 eingeschaltet. T2
T3
überbrückt T3 und steuert T4 an. Die Rückkoppelung T3 - T4
p
zündet den Thyristor. Nun kann der MCT den Laststrom führen.
T4
n
Ersatzschaltbild des MCT
K
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Um den Thyristor wieder auszuschalten, muss die Rückkopplung
unterbrochen werden. Dies geschieht durch Abschalten von FET T2
A
und erneutes Einschalten von FET T1 mittels positiver Gatespannung
G
UGA. Damit wird die Basis von T3 kurzgeschlossen und T3 ausgeschaltet. Der Thyristor sperrt.
Aufgrund der geringen Stromverstärkung von T3 muss der FET T1
K
Ströme schalten können, welche in der Größenordnung des
Laststromes liegen. Da N-Kanal FET eine größere Stromtragfähigkeit
Schaltzeichen des MCT als P-Kanal FET haben, werden vorwiegend P-Kanal MCT gebaut.
GCT und IGCT
Der GCT (Gate-Commutated-Thyristor) basiert auf einer GTO-Thyristorstruktur. Die in vielen
Anwendungsfällen der Leistungselektronik geforderten Freilaufdioden können beim GCT, wie
bei den meisten modernen Bauelementen, auf dem Chip integriert werden. Ähnlich wie beim
MCT sind FET-Strukturen, die beim GCT kathodenseitig angeordnet sind, für das Ein- und
Ausschalten erforderlich. Der Aufwand für die Ansteuerelektronik des GCT hat zur Entwicklung
eines idealen Schalters für sehr hohe Leistungen geführt, dem IGCT.
Der IGCT (Integrated-Gate-Commutated-Thyristor) fasst das eigentliche
K
G Leistungsschaltgerät einschließlich der Freilaufdiode und den GateTreiber in einem integrierten Baustein zusammen. Besonders vorteilhaft
sind lichtgesteuerte IGCT bei Reihenschaltungen.
A
Schaltzeichen des IGCT
Die Komponentenverpackung und -integration erlauben eine Optimierung in vier Bereichen:
niedrige Schalt- und Leitungsverluste im Mittelspannungsbereich,
vereinfachte Schaltung für das Schalten des Leistungshalbleiters,
niedrigere Kosten des Leistungssystems,
höhere Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit.
IGCT erreichen:
Sperrspannungen URRM, UDRM 6 kV, Dauergrenzstrom ITAVM 550 A (symmetrisch),
Sperrspannung UDRM 6 kV, Dauergrenzstrom ITAVM 1300 A (asymmetrisch).
Smart-Power-Transistor
Smart-Power-Transistoren sind im Allgemeinen intelligente Leistungs-MOS-FET, kurz SMARTFET genannt.
Beim Smart-Power-Transistor sind Ansteuerschaltung und Logikfunktionen in den MOSgesteuerten Leistungsschalter integriert.
Merkmale des Smart-Power-Transistors:
Hohe Zuverlässigkeit gegenüber Schaltungen mit Einzelbauelementen,
Schutzfunktionen, wie Erkennen von Über- und Unterspannung, Überstrom, Kurzschluss,
Leerlauf (Zuleitung unterbrochen) und Übertemperatur des Bauelementes,
eingebaute Ladungspumpe für den Betrieb als Highside-Schalter,
ESD-Schutz an Ein- und Ausgängen,
Ein- und Ausgänge CMOS- bzw. TTL-kompatibel,
Rückmeldung von Zuständen über ein Status-Signal.
Typische Smart-Power-Transistoren sind TOPFET (Temperature and Overload Protected FET)
und PROFET mit vielfältigen Logikfunktionen. Smart-Power-Transistoren werden in großen
Stückzahlen in der Autoelektronik eingesetzt.
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