Der eSBt – emitter Switched Bipolar transistor - All

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