300-V-IGBTs ersetzen MOSFETs in

BAU ELEMENTE
300-V-IGBTs ersetzen MOSFETs in
Stromversorgungen und Invertern
Jonathan Dodge, Advanced Power Technology
Durch die erzielte Reduzierung der Leit- und Schaltverluste bei PT IGBTs bieten diese gegenüber MOSFETs im Bereich 200
bis 300 V verbesserte Leistungsmerkmale. Die Schaltverluste sind mit denen der MOSFETs vergleichbar und der Spannungsabfall im Leitzustand ist beim IGBT stark reduziert wie im Folgenden gezeigt.
B
On-Widerstand zu reduzieren,
hat keinen negativen Einfluss auf
die Einschaltenergie Eon des
IGBTs, sie wird aber verringert.
Die gesamten Schaltverluste entsprechen denen des 200 bis
300 V Leistungs-MOSFETs bei
gleichem Strom.
Zu bemerken bleibt, dass der maximale Strom beim LeistungsMOSFET bei einer Gehäusetemperatur von 25 °C angegeben
Bild 2: On-Widerstand als Funktion der Tempera- wird. Dies entspricht dem IC2tur bei einem 300-V-Leistungs-MOSFET und einem Wert beim IGBT, der mit dem ent300-V-PT-IGBT bei jeweils 22 A und 15 V Gatespan- sprechenden Wert des MOSFETs
nung.
verglichen werden sollte. Der Unterschied in der GehäusetemperaBei Leistungs-MOSFETs für Sperr-Spannuntur bei den Stromangaben berücksichtigt
300-V-PT-IGBT-Technologie
gen bis 200 V macht den Löwenanteil des
die reduzierten Leitverluste des IGBT.
IGBTs haben ein Widerstandsverhalten wie
Widerstandes die Driftregion aus und nicht
Die Steuerung der Lebensdauer der MinoMOSFETs – das Verhältnis von Spannung
der Kanal. Bei IGBTs konzentriert man sich
ritätsträger reduziert den Schwanzstrom
und Strom entspricht ganz einfach dem
deshalb auf die Reduzierung des Widerund die Abschaltverluste Eoff. Dabei wird für
die Einstellung der Lebensdauer der MinoOhmschen Gesetz. Die Durchlassspannung
standes in der Driftregion. Dies durch die Inritätsträger bei PT IGBTs generell die Elektist das Produkt aus Strom mal Widerstand.
jektion von Minoritätsträgern in die Driftreronenimplantation verwendet. Die LebensDer On-Widerstand des IGBTs entspricht
gion [1].
dauereinstellung hat drei Nachteile:
der Spannung VCE(on) geteilt durch den KolBild 1 zeigt die Durchlassspannung als
lektorstrom IC so wie beim MOSFET der
1. Eoff ist Funktion von VCE(on) oder Ein-WiFunktion des Stromes beim APT30M75BLL,
RDS(on) der Drain-Source-Spannung geteilt
derstand
einem 44 A, 300-V-Leistungs-MOSFET und
durch den Drainstrom ID entspricht. Da
2. Breitere Streuung des VCE(on)
beim ATP83GU30B, einem 300 V, 83 A PT
3. Erhöhter Leckstrom bei höheren Tempedie Leitverluste das Produkt aus R2 und dem
IGBT jeweils bei 125 °C. Der On-Widerstand
Strom sind, hat das Bauteil mit dem geraturen, das ist der Grund, dass PT IGBTs
ist jeweils für 22 A angegeben; bei Strömen
ringsten Widerstand die geringsten Leitvernur bis 150 °C eingesetzt werden könüber 7 A zeigt sich der wesentlich geringere
luste.
nen.
On-Widerstand beim 300-V-IGBT. Durch
diese Verbesserung ergeben sich
Eine mehr aggressive Steuerung der LebensVorteile wie:
dauer verringert den Eoff und erhöht den
kleiner IGBT Chipfläche bei
VCE(ON) bei einem gegebenen Strom. Bei jegleicher
Stromtragfähigkeit
dem Design mit IGBT kann der Arbeitspunkt
verglichen mit einem MOSFET:
Eoff als Funktion von VCE(ON) entlang einer Lidies führt zu geringeren Kosnie von Eoff zu VCE(ON) gelegt werden. Diese
ten,
Linie wird durch die verwendete IGBT-Techhöherer Wirkungsgrad bei gleinologie definiert. Eine Verbesserung der
cher Chipfläche verglichen zum
Technologie führt zu geringeren Eoff und
MOSFET und
VCE(ON), wie jüngst bei den 300-V-Powerhöhere Leistungsdichte.
MOS 7 IGBTs geschehen. Ältere IGBTs haben bislang MOSFETS mit Sperrspannung
Bei Hochvolt-IGBTs ergibt sich ge>400 V ersetzt, wegen des geringeren Wigenüber dem MOSFET ein Nachderstands der Driftregion von Low-Volt
teil im Ausschaltverhalten: Es ist
MOSFETs kombiniert mit seiner hoher
der Tailcurrent (Schwanzstrom)
Schaltgeschwindigkeit.
erzeugt durch die MinoritätsträVergleicht man IGBTs für StromversorgunBild 1: Vergleich von Durchlassspannung und Wi- ger. Dieser erhöht die Ausschaltgen mit MOSFETs, sieht es so aus als ob die
derstand von 300-V-Leistungs-MOSFET und 300-V- Schaltverluste Eoff. LeitfähigkeitsDurchlassspannung des IGBT laut Daten- PT-IGBT bei 125 °C und 15 V Gatespannung.
modulation, angewendet um den
evorzugtes Einsatzgebiet von IGBTs
sind Antriebe. IGBTs ersetzen aber
auch MOSFETs in vielen Schaltnetzteilen mit hoher Schaltfrequenz. Die Verwendung von 300-V-Typen in Stromversorgungen ist dagegen eine relativ neue
Anwendung. Kürzlich erzielte Verbesserungen in der PT-IGBT-Technologie (PT =Punch
Through) wie z.B. Power-MOS-7-IGBTs machen es möglich, dass 300-V-IGBTs die
MOSFETs ersetzen, dies mit einem kleineren
RDS(on) bei 200 bis 300 V. Der Hauptvorteil
dieser IGBTs sind die niedrigeren Kosten verglichen mit MOSFETs bzw. die Erhöhung
von Wirkungsgrad und Leistungsdichte von
Schaltungen bei gleichen Kosten.
elektronik industrie 07/08-2004
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blatt hoch ist, da sie direkt mit
wegen der kleineren Chipgröße und Gateden Leitverlusten korreliert. Da jekapazität des IGBT wird weniger Ansteuerdoch der RDS(on) des vergleichbaleistung benötigt als für den MOSFET
ren MOSFETs verwendet wird, um
(Bild 4).
die Durchlassspannung zu beWegen der geringeren Kapazität wird mögrechnen, kommt deutlich zum
licherweise ein höherer Gatewiderstand erVorschein, dass die Leitverluste
forderlich, um eine vergleichbares di/dt und
des IGBT wesentlich geringer
dv/dt beim Einschalten wie beim 200- bis
sind, da der RDS(on) des MOSFETs
300-V-MOSFET zu erzielen. Negative Gabei höheren Strömen und normateansteuerung ist nicht erforderlich. Auch
ler Betriebstemperatur schnell ankann eine 10-V-Gatetreiberspannung versteigt (Bild 1 und 2). In einer
wendet werden, für die 300-V-IGBTs werStromversorgung würde eine geden 12 bis 15 V empfohlen.
ringere VCE(on) zu nicht annehmbaren Schaltverlusten führen mit Bild 3: Vergleich der Totalverluste von 300-VSoftswitching
Leitverlusten, die nur einen klei- MOSFET und 300-V-IGBT in hart schaltender AppliDas Einschaltverhalten des IGBT ist mit dem
nen Anteil an den Totalverlusten kation bei 200 V, 22 A, 150 kHz, 50 % Tastgrad, RG
= 20 Ω und einer Sperrschichttemperatur von jedes MOSFETs ziemlich identisch, d.h. 330-Vdes IGBTs haben.
IGBTs können auch in weich schaltenden
Die breitere Verteilung der VCE(on) weils 125 °C.
ist der Hauptgrund für die
Applikationen verwendet werden (bei NullPsw(off) sind die Ausschaltverluste, Ps w(on)
Schwierigkeiten beim Parallelschalten von
spannung oder Nullstrom). Null-Strom führt
sind die Einschaltverluste und Pcond ist der
PT IGBTs. Dem Temperaturkoeffizienten TK
sowohl beim IGBT wie beim MOSFET zu
Leitverlust.
muß man erst das zweite Augenmerk
guten Ergebnissen. IGBTs arbeiten aber bei
Trotz der höheren Ausschaltverluste hat der
schenken. Glücklicherweise wird für 300-VNull-Spannung Softswitching nicht sehr
IGBT die geringsten Gesamtverluste, da die
IGBTs nur eine geringe Lebendsdauer-Eingut, da die anliegende Kollektor-EmitterLeitverluste und die Einschaltverluste am gestellung benötigt, da die Driftregion weniSpannung benötigt wird, um die Minoritätsringsten sind. Die Gesamt-Schaltverluste
ger Widerstand aufweist, verglichen zu
träger auszutreiben. Dieser Effekt wird
sind für IGBT und MOSFET fast gleich, d. h.
einem Hochvolt-PT-IGBT. So müssen wenidurch die Lebensdauersteuerung der Minoeine Veränderung der Schaltfrequenz würger Minoritätsträger in die Driftregion injiritätsträger bei den Power-MOS-7-Typen etde zu einer Verringerung der Totalverluste
ziert werden.
was ausgeglichen. Die Steuerung führt zu
Das Ergebnis der geringeren Lebensdauereinem kürzeren Schwanzstrom
steuerung ist eine engere Verteilung des
auch wenn keine Kollektor-EmitVCE(on) verglichen mit einem HV-IGBT und eiterspannung anliegt. Liegt jedoch
ne damit erleichterte Parallelschaltung. Die
keine Kollektor-Emitterspannung
Punch-through-Technologie wird die bevoran, wird aber das Austreiben der
zugte Technologie für 300-V-IGBTs bleiben,
Minoritätsträger behindert mit
wegen der Schwierigkeiten bei der Herstelder Folge, dass die Ausschalt-Gelung von nicht-Punch-through-IGBTs mit
schwindigkeit nicht die des LeisWafern, die dünn genug sind um vergleichtungs-MOSFETs erreicht.
bare Leistung bei Typen für <600 V zu brinDie Leistungshalbleiter von APT
gen. Ein abschließend zu nennendes bedeuwerden von Eurocomp vertrietendes Merkmal eines 300-V-IGBTs ist der
ben. Von dort gibt es über die
TK des On-Widerstandes (analog dem TK
Kennziffer weitere Informationen.
der VCE(on) ).
(sb)
Bild 4: Kapazitätsvergleich von 300-V-MOSFET
Die Neigung der Kurven in Bild 2 zeigt
und 300-V-IGBT kleinerer Größe.
den TK des On-Widerstandes eines
www.eurocomp.de
APT30M75BLL
MOSFET
und
eines
APT83GU30B IGBT. Der IGBT hat einen
im IGBT führen. In diesem Fall ist der IGBT
APT/Eurocomp 415
leicht negativen TK bei 22 A und einen
ein brauchbarer Ersatz für MOSFETs. Die
leicht positiven TK über 44 A. Der flache TKLeitverluste machen einen Großteil der GeVerlauf hat Vorteile für das Überstromversamtverluste aus, d.h. die Auswahl eines
Über infoDIRECT erhalten Sie weitere Prohalten. Der positive TK bei höheren Strömen
größeren Bauteils oder deren Parallelschalduktberichte und Fachartikel zum Thema
erleichtert das Parallelschalten. Der TK der
tung führt zu einer merklichen Verringerung
Leistungshalbleiter.
300-V-Leistungs-MOSFETs ist immer positiv
der Gesamtverluste.
und sehr stark wie in Bild 2 zu sehen. Das ist
Wichtig bei der Betrachtung von Bild 3 ist
ein typisches Merkmal von Leistungs-MOSdie Tatsache, dass die Chipfläche des IGBT
415ei0804
FETs.
viel kleiner ist als die des MOSFETs. Somit
kann ein preiswerter 300-V-IGBT einen 200Jonathan Dodge ist Sebis 300-V-MOSFET ersetzen. Außerdem bieLeistungsvergleich
nior Applikationsingenieur
tet er höhere Leistungsdichte und mögliTests in hart schaltenden induktiven Schalbei Advanced Power Techcherweise einen höheren Wirkungsgrad. Im
tungen verdeutlichen die Verteilung der
nology, USA.
Umkehrschluß bedeutet das, dass ein 300Verluste und die Gesamtverluste eines 300V-IGBT der selben Chipgröße eines MOSV-PowerMOS-7-IGBTs und eines MOSFETs.
FETs zu einem wesentlich höheren WirLiteratur
Bild 3 zeigt die Gesamtverluste des
kungsgrad führt.
[1] J. Dodge. Loder;“Latest Technology PT
APT30M75BLL und des APT83GU30B bei
Die Anforderungen an die Gateansteuerung
IGBTs vs. Power MOSFETs“, PCIM China
200 V, 22 A und 150 kHz hart schaltend.
sind vergleichbar mit einem MOSFET, aber
2003, APT
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