Stromversorgungen/Leistungselektronik Auferstehung einer vergessenen Technologie Der ESBT – Emitter Switched Bipolar Transistor Eine in den 80er Jahren entwickelte Leistungshalbleitertechnologie wurde kurz nach ihrer Einführung durch den IGBT verdrängt. Jetzt ist sie wieder am Kommen: Die ESBT-Technologie, auf die elektronik industrie hier näher eingeht. Bild 1: Kaskodeschaltung von Niederspan­­­nungsMOSFET mit BipolarTransistor (links) und monolithische Realisation (rechts). (Alle Bilder Micro semi/Eurocomp) Bild 3: Stromverlauf im ESBT im eingeschalteten Zustand. Bild 4: Stromverlauf im ESBT im ausgeschalteten Zustand. Einwiderstand RDS(on) und damit nahezu identisch mit einem idealen Schalter im ON-Zustand. ESBT-Technologie Bild 2: Halbleiterstruktur des ESBTs. Die in den 80er Jahren entwickelte ESBTTechnologie (Emitter Switched Bipolar Transistor) entstand aus der Forderung nach einem Bipolartransistor, der ­schneller schaltet als die zu dieser Zeit verfügbaren Typen. Die Technologie wurde teilweise bis 1985 eingesetzt, ihre Marktdurchdringung wurde aber mit dem Erscheinen der IGBTs gestoppt, die zwar weniger effizient waren, aber viel preiswerter. Was nun die ESBT-Technologie heute wieder interessant macht, ist, dass sie in einer Kaskodentopologie über einen rechteckigen sicheren Arbeitsbereich RBSOA Reverse Biased Safe Operating Area verfügt in Kombination mit einem NiederspannungsLeistungs-MOSFET mit sehr geringem ˘ AUTOR Wolfgangs Knitterscheidt, Geschäftsführer von Eurocomp Hans Oppermann, Geschäftsführer der PowerCon BV 50 Die genannte Kaskode-Konfiguration (Bild 1 links) wurde wie in Bild 1 rechts gezeigt durch STMicroelectronic zu einem vierpoligen Bauteil monolithisch integriert. Dieses Bauteil, dessen Struktur Bild 2 zeigt, bietet die Hochspannungseignung eines bipolaren Transistors, das schnellen Schaltvermögen eines NiederspannungsMOSFETs und eine niedrige Sättigungsspannung UCS. Der Bipolartransistor wird dabei mit einer konstanten Spannung vorgespannt, die Ansteuerung erfolgt über das Gate. Bild 3 zeigt die Verhältnisse am ESBT im ON-Zustand. Eine VGS-Spannung von > 10 V schaltet den MOSFET durch. Bild 5: Ansteuerungsschaltung mit Hochspannungs-MOSFET als Treiber. Die Gleichspannung an der Basis bedingt einen Strom IB, der den bipolaren Transistor in die Sättigung bringt: VCS = VCE bip + RDS(on) Tj x (IC + IB) Bild 4 zeigt den ESBT im Off-Zustand. Eine Spannung VGS von 0V schaltet den MOSFET ab. Der negative Basisstrom entspricht dem Kollektorstrom. Für den ESBT ergeben sich folgende Vorteile: ˘S peicher- und Ausschaltzeiten sind verglichen zum traditionellen Bipolartransistor gering ˘D er für den IGBT charakteristische Schwanzstrom entfällt ˘D urch den nicht vorhandenen zweiten Durchbruch ergibt sich eine höhere Robustheit ˘u nd der sichere Arbeitsbereich ist größer. Dabei ist es notwendig die Basisspannung Bild 6: Ansteuerungsschaltung mit HochspannungsBipolartransistor als Treiber. Bild 7: Das Chipfoto verdeutlicht den vorteilhaften symmetrischen Aufbau des mit ESBT aufgebauten Choppers. elektronik industrie 5 - 2010 Stromversorgungen/leistungselektronik Bild 10: Das 51,6 mm x 45 mm x 11,5 mm(17,5 mm mit Anschlüssen) messende SP 1 Gehäuse (L x B x H) beherbergt ESBT Chip, Tranzildiode, SiC Diode und NTC Thermosensor. Bild 8: Boost-Chopper mit ESBT. Bild 9: Buck-Chopper mit ESBT. mit einem bidirektionaler Tranzildiode zu klemmen. Die erste Methode (Bild 5) verwendet einen Hochspannungs-MOSFET als Treiber, der als Anti-Sättigungsnetzwerk fungiert und damit Speicher- und Ausschaltzeiten verringert. Die Schaltung ist einfach wie ein dreipoliges Bauteil anzusteuern. Ansteuerungsmethoden Im Folgenden werden zwei mögliche Ansteuerungsmethoden beschrieben. Der MOSFET liefert beim Einschalten einen Basisspitzenstrom um die Einschaltverluste zu minimieren und die dynamische Sättigung zu verbessern. Der Spannungsabfall VCS berechnet sich dann zu VCS= VBS Q1 + RDSON Tj x IB Die zweite Methode (Bild 6) verwendet einen Hochspannungs-Bipolartransis- ˘ Stromversorgungen/Leistungselektronik tor als Treiber, die Schaltung ist einfach wie ein dreipoliges Bauteil anzusteuern, benötigt aber einige Anpassungen an der Basisansteuerung. Der Widerstand R2 begrenzt beim Einschalten den Basisspitzenstrom um die dynamische Sättigungsspannung anzuheben. R1 dagegen bestimmt den Basisstrom im eingeschwungenen Zustand und die Diode D1 verbessert das Ausschalten des BJT Treibers. Der BJT fungiert als Anti-Sättigungsnetzwerk, das die Speicher- und Ausschaltzeiten verringert. Die Schaltung mit dem BJT Treiber benötigt weniger Platz im Vergleich zur MOSFETTreiberschaltung, Außerdem kann der Spannungsabfall VCS gegenüber der MOSFET-Ansteuerung weiter gesenkt werden nach der Formel: VCS= VBS Q1 + VCE Q2 Das ESBT Angebot von Microsemi Das ESBT Angebot von Microsemi, das ­Eurocomp liefert, umfasst derzeit: ˘ 1 200 V Chopper Module ˘S ingle oder dual ESBT Chips ˘B oost oder Buck Chopper ˘B ipolare Treiber Außerdem zugehörige Tranzil Klemmdioden und SiC Chopper Dioden. Der APTES80DA120C3G ESBT High current Boost Chopper ist ausgelegt für höchste Effizienz für Leistungsanwendungen im Bereich 15 kW und mit Frequenzen im 40-kHz–Bereich. Die wesentlichen Daten des Choppers sind: ˘ 1 200 V/80 A ESBT Switch ˘ 1 ,1 V VCESAT bei Tj = 125 °C und IC = 40 A (bei einem schnellen IGBT beträgt die VCESAT mindestens > 2,9 V V für einen schnellen IGBT) ˘G esamtschaltverluste < 3 mJ bei 40 A (Tj = 125 °C) (beträgt > 5 mJ bei einem schnellen IGBT) ˘E nthält 5 kW Tranzilklemmdiode für Hochfrequenzbetrieb und eine 1 200 V/ 40 A SiC Chopperdiode ˘D er Chopper zeichnet sich außerdem durch sein symmetrisches Design aus und zeigt kurze Stromschleifen zwischen der ESBT-Basis, der Klemmdiode und der ESBT-Source (Bild 7). Er wird mit Lötanschlüssen oder für die PressfitMontage geliefert. Die Boost und Buck Chopper mit ESBT APTES45DA120CT1G (Bild 8 zeigt die Beschaltung des Boost Choppers, Bild 9 des Buck Choppers) und APTES45SK120CT1G sind ausgelegt für höchste Effizienz in Leistungsinvertern im 7,5-kW-Bereich. Bild 10 zeigt das SP 1 Gehäuse in dem die Bauteile untergebracht sind, es enthält einen ESBT Chip, die integrierte Tranzildiode, eine 20 A/1 200 V SiC Diode (möglich bis zu 30 A/1 200 V) und einen NTC Thermosensor. Schlussbemerkung Die ESBT Module von Microsemi (Vertrieb: Eurocomp) wurden speziell für Photovoltaik-Applikationen entwickelt. Werden sie in 15-kW-Netzinvertern eingesetzt, ermöglichen sie eine erhöhte Effizienz speziell dann, wenn sie über einen weiten Eingangsspannungsbereich arbeiten müssen. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz auf bis zu 40 kHz und später 100 kHz ergibt sich eine starke Verringerung des Platzbedarfs und des Gewichts bei Invertern, der bis zu ½ betragen kann, da z. B. kleinere Induktivitäten verwendet werden können. Da ESBTs in naher Zukunft, wie in SiC schon realisiert, für 1 700 V erhältlich sind, werden dann einstufige Inverter möglich, der Bus entfällt. Anfragen zum Thema ESBT können an die E-Mail: [email protected] gerichtet werden. (sb) ˘ infoDIRECT 422ei0510 ˘ Link zu Eurocomp www.elektronik-industrie.de