IGBT oder IGCT - EAL Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und ...

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IGBT oder IGCT
Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der
Anwendung
Werner Bresch Im Bereich der Leistungshalbleiter stoßen IGBTs in Leistungsbereiche
vor, die bisher den GTOs vorbehalten waren. Zeitgleich zu diesen Entwicklungen
wurden auch IGCT-Halbleiterschalter auf dem Markt vorgestellt.
Diese sind mit Leistungsdaten 2200 A/4500 V und 1800 A/5500 V als rückwärtsleitende
und mit 4000 A/4500 V als asymetrisch sperrende Halbleiterschalter
erhältlich. Eine Weiterentwicklung zu höherer Strombelastung und
zu höheren Sperrspannungen ist abzusehen.
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er IGBT ist eine monolitische Integra-
tion aus MOSFET und bipolarem Transistor.
Er vereinigt im wesentlichen das
gute Schaltverhalten des MOSFET mit
dem guten Durchlassverhalten des bipolaren
Transistors. Die Ansteuerung ist,
bei nur geringen Ansteuerleistungen,
verhältnismäßig einfach. Die IGBTs sind
in den vorgenannten Leistungsdaten als
Module erhältlich. In diese Module werden
Einzelschalter und Phasenzweige
bis hin zu kompletten Wechselrichterschaltungen
eingebaut. Der Metallboden
eines solchen Moduls ist elektrisch
gegen Erde als Bezugspotential isoliert.
Dabei werden Isolationsmaterialien eingesetzt,
die eine möglichst gute thermische
Leitfähigkeit aufweisen.
Solche Module
ermöglichen
den kompakten
und niederinduktiven
Aufbau einer
leistungselektronischenEndstufe.
Bei Modulen
höherer
Leistung wird
noch zusätzlich
eine Steuerelektronik
benötigt. Diese
Bild 2: Aufbau
einer IGCT-
Wechselrichterendstufe
ist sehr genau auf die Belange des gesamten
Aufbaues des Wechselrichters
und der verwendeten IGBTs abzustimmen.
Der IGCT ist eine Weiterentwicklung des
GTO. Durch eine harte Ansteuerung mit
Abschaltverstärkung „1“, tritt das Element
beim Ausschalten direkt vom Thyristor-
in den Transistor-Betriebszustand
über. Dies ermöglicht den Betrieb ohne
zusätzliche Beschaltung. Der IGCT vereinigt
im wesentlichen das sehr gute
Durchlassverhalten von Thyristoren mit
dem Schaltvermögen von bipolaren
Transistoren. IGCTs
sind in Scheibenzellen-Bauform
als
rückwärtsleitende
oder asymetrisch sperrende
Ausführung erhältlich.
In der rückwärtsleitendenAusführung
ist die, für die
meisten Umrichterschaltungenerforderliche
Freilaufdiode auf
dem Siliziumchip des
IGCT integriert, bei der
asymetrisch sperren-
den Ausführung wird zusätzlich eine externe
Diode benötigt. Diese Einzelschalter
verfügen über keine elektrische Isolation
gegen Erde. Daher montiert
man die Einzelschalter
auf
getrennte
Kühler, die
dann elektrisch
isoliert
werden. Die
zur Ansteuerungnotwendige
Elektronik
gehört zum
Lieferumfang des
IGCT. Eine weitergehende
Abstimmung ist nicht notwendig.
2-Puls-Wechselrichter
Die Konstruktion eines Wechselrichters
mit IGBTs unterscheidet sich stark von
einem Aufbau, bei dem IGCTs zum Einsatz
kommen. Ein Wechselrichteraufbau
mit IGBTs muss mit kleinstmöglichen
Streuinduktivitäten bewerkstelligt werden,
da die einzelnen Schalter innerhalb
der Wechselrichterbrücke hart geschaltet
werden. Die Kommutierungswege
müssen so kurz wie möglich gestaltet
werden, um die Schaltspannungsspitzen
beim Ausschalten des Kollektorstromes
in akzeptablen Grenzen zu halten.
Hierbei sind die maximalen in der Anwendung
vorkommenden Ströme bei
ungünstigsten, also höchsten, in der
Anwendung vorkommenden DC-Zwischenkreisspannungen
zu berücksichtigten.
Dies zwingt zu einer kompakten,
lateralen, auf einem großflächigen Kühler
basierenden Konstruktion des Wechselrichters
(Bild 1). Die IGBT-Module
werden zusammen mit der entsprechenden
Treiberelektronik auf den
Kühler montiert; bei Einzelschaltern bis
zu 6 Stück, bei Phasenzweigen bis zu 3
Stück. Darüber wiederum wird ein laminiertes
DC-Bus-System mit
den erforderlichen Zwischenkreiskondensatoren
montiert. Der modulare
Aufbau der
IGBTs unterstützt
eine solche Konstruktion
optimal.
Grundsätzlich unterschiedlichgestaltet
sich die
Konstruktion beim
Einsatz von IGCTs.
Die maximal zulässigenStromänderungsgeschwindigkeiten
liegen
in diesem Fall bei
ca. 500 A/µs. Dies ist weniger durch das
Schaltvermögen der IGCTs bedingt, als
durch das Ausschaltverhalten der Freilaufdioden.
Die Stromänderungsgeschwindigkeit
wird mit einer Drossel
eingestellt, die zwischen dem Zwischenkreiskondensator
und der Wechselrichterbrücke
plaziert wird. Dazu ist ein
Clampkreis als Drosselbeschaltung der
möglichst niederinduktiv an die Wechselrichterbrücke
anzuschließen ist, vorzusehen.
Die Treiberstufen sind Bestandteil
der IGCTs. Hierfür sind keine
weiteren Aufwendungen, sowohl technisch
als auch kommerziell notwendig.
Da der Aufbau der Wechselrichter-
Brücke selbst nicht (Bild 2) niederinduktiv
sein muss, entfällt die harte Bedingung
nach äußerst kompakten Aufbauten.
Die Scheibenzellen-Bauform der
IGCTs bringt daher für diese Aufbauten
keine Nachteile.
Bild 1: Streuinduktivitätsarmer
Aufbaub einer IGBT-Wechselrichterendstufe
1 MVA 2-Puls-Wechselrichter
Ein direkter Vergleich von technologisch
unterschiedlichen Leistungshalbleitern
über die Datenblattangaben ist sehr
schwer und endet meistens in totaler
Konfusion. Verglichen werden deshalb
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die unterschiedlichen Techniken anwendungsorientiert,
d.h. unter Verhältnissen,wie
sie sich z.B.beim Einsatz in einem
1 MVA 2-Puls-Wechselrichter ergeben.
Der Wechselrichter möge folgende
Leistungsdaten haben:
P aus =1200 kVA, U aus = 1200 V eff ;I aus: 578
A eff, PWM: 750 Hz; Kühlung: Luft; Umgebungstemperatur
45 °C; Kühlart:Luft, forciert
belüftet mit 6 m/s; Kühler: Aluminium
Strangpressprofil; Last Motor cos phi
0,9: Motor; F aus: 50 Hz.
Alle nachfolgenden Betrachtungen be-
Bild 3: Typischer Flächenkühlkörper für IGBT-Wechselrichterendstufen
ziehen sich der Einfachheit halber immer
auf den vorgenannten Betriebspunkt.
Anlassbedingungen bzw. Bedingungen,
wie sie beim Bremsen des Motors
entstehen, werden nicht berücksichtigt.
Der Vergleich wird für einen
IGBT mit den Leistungsdaten 1200
A/3300 V und für den IGCT der Typbezeichnung
5SHX26L4502 durchgeführt.
Verlustleistung
Für die im Leistungshalbleiter entstehende
Verlustleistung ist im wesentlichen
das Durchlassverhalten sowie die
Einschalt- und Ausschaltverlustenergie
maßgebend. Nachfolgende Angaben
sind auf gleiche Arbeitspunkte bezogen
und stellen sich wie folgt dar:
Durchlassspannungsabfall (bei I t =
820 A; T vj = 115 °C) an IGBT 3 V, an Diode
2,5 V, an IGCT 2,10 V, an Diode 3,10
V;
Einschaltverlustenergie (bei I t = 820 A;
Tvj = 115 °C, Us < 1700 V) für IGBT 2,1
Ws und IGCT 0,20 Ws;
Ausschaltverlustenergie (bei It = 820
A;T vj = 115 °C, U s < 2200 V) für IGBT 1,7
Ws, Diode 0,4 Ws, IGCT 2,6 Ws und Diode
1,2 Ws.
Unter den so definierten Betriebsbedin-
gungen und Datenblattangaben ergeben
sich laut Berechnung folgende Verlustleistungen:
IGBT 1023 W + Diode 359
W = Schalter 1382 W; IGCT 502 W + Diode
435 W = Schalter 937 W.Der IGBT erzeugt
also insgesamt 1382 W Verlustleistung,
der IGCT eine Verlustleistung von
insgesamt 937 W.
Thermischer Haushalt
Die für den thermischen Haushalt relevanten
Daten und Parameter
sind im wesentlichen
die erzeugten
Verlustleistungen,
die Umgebungstemperatur,
der thermische
Widerstand des
eingesetzten Kühlers,
sowie die inneren
thermischen Übergangswiderstände
der eingesetzten Halbleiterschalter
und deren
zulässige Sperrschichttemperatur.
Bei
der Berechnung des
Maximale Sperrschicht-
Temperatur, empfohlen
nach Datenblatt
Therm. Übergangswiderstand
Kühler zu Gehäuse
Therm. Übergangswiderstand
Kühler zu Gehäuse
thermischen Haushaltes
hat man prinzipiell
zwei Möglichkeiten.
Entweder man rech-
net bei gegebenem thermischen Übergangswiderstand
für den Kühler auf die
sich dann einstellende Chiptemperatur
oder, bei Festlegung der sich einstellenden
Chiptemperatur, auf den hierfür erforderlichen
thermischen Übergangswiderstand
des Kühlers. Hierbei sind die
im Datenblatt angegebenen Grenzwerte
zu beachten. Die für den thermischen
Haushalt relevanten Datenblattwerte
sind in Tabelle 1 dargestellt.
Beim Einsatz von IGBTs und Montage
mehrerer Module (bis zu 6 Stück) ergeben
sich so folgende Anzahlen und
Größen der Kühler (Bild 3 und Bild 4):
Beim Einsatz von IGCTs und Montage je
eines Scheibenelementes zwischen
zwei Kühlerhälften ergeben sich so folgende
Anzahlen und Größen der Kühler:
6 IGCTs zwischen zwei Kühlerhälften, erforderlicher
thermischer Widerstand einer
Kühlerhälfte < 0,120 K/W, Kühlergröße
84 x 200 x 200 mm 3 , thermischer
Widerstand einer Kühlerhälfte 0,10 K/W,
erforderliche Anzahl von Kühlerhälften
= 12 Stück.
Das Ergebnis der Berechnungen belegt,
dass sich ein mit IGBTs hergestellter
Wechselrichter in der dargestellten Leistungsgröße
unter Verwendung kostengünstiger
stranggepresster Kühlprofile
IGBT Diode IGCT Diode
125 K/W
0,0095 K/W
0,006 K/W
pro Modul
125 K/W
0,018 K/W
115 K/W
0,012 K/W
0,003 K/W
bei beidseitiger
Kühlung
Tabelle 1: Für den thermischen Haushalt relevante Datenblattangaben
Anzahl der IGBT-Module
auf einem Kühler
Erforderlicher thermischer
Widerstand des Kühlers
Kühlergröße (in mm 3 )
Thermischer Widerstand
des Kühlers
Erforderliche Anzahl
der Kühler
6 Stück
< 0,0075 K/W
84 x 750 x 800
0,01125 K/W
Einsatz ist so
nicht möglich
< 0,015 K/W
84 x 750 x 800
< 0,01125 K/W
2 Kühler
115 K/W
0,0212 K/W
3 Stück 2 Stück
Tabelle 2: Anzahl und Größe der Kühlelemente beim Einsatz von IGBTs
< 0,023 K/W
84 x 500 x 500
< 0,02 K/W
3 Kühler
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Bild 4: Sechs IGBT-Module montiert auf einen Flächenkühlkörper
nicht darstellen lässt. Die anfallende Gesamtverlustleistung
von 8292 W ist zu
hoch und kann von einem Kühler in den
Abmessungen 84 x 750 x 800 mm 3 nicht
mehr abgeführt werden. Eine Möglichkeit,
dieses Problem zu lösen, wäre die
Verlustleistung auf mehrere Kühler aufzuteilen.
Möglich wären jeweils 3 Module
auf je einen Kühler oder gar nur jeweils
2 Module in Phasenzweiganordnung
auf insgesamt 3 Kühler zu montieren.
Dies führt neben voluminösen
schweren Aufbauten und ungünstigen
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Kühlbedingungen zu
weiteren technischen
Nachteilen. Die Forderung
nach kurzen Kommutierungswegen
kann nicht mehr eingehalten
werden. Dies
führt spätestens beim
Ausschalten von Überbzw.Kurzschlussströmen
zu nicht beherrschbarenSchaltspannungsspitzen.
Auch entsprechende
Treiberabstimmungen
lösen dieses Problem
nicht. Die mit IGBTs in dem geschilderten
Aufbau realistisch erreichbare Leistung
eines Wechselrichters dürfte bei
ca. 750 kVA liegen, bei Schweranlaufforderung
bei ca. 500 kVA.
Bei Verwendung sehr großer Heatpipes
(Volumen für Finnen 600 mm x 600 mm
x 300 mm) und der Montage von zwei
IGBT-Modulen pro Heatpipe (die vorher
definierten Kühlbedingungen bleiben
unverändert) können Wechselrichterleistungen
bis ca. 1200 kVA erreicht werden.
Die für die Kühlung anteiligen Ko-
sten steigen jedoch deutlich.Eine weitere
Alternative ist der Einsatz von Wasserkühlern
mit den entsprechenden Rückkühlsystemen.
In der Praxis ist jedoch
auch bei Verwendung von Wasserkühlern
keine signifikante Leistungserhöhung
mehr realisierbar, da unter diesen
Anwendungsbedingungen die Lebensdauererwartung
der IGBT-Module drastisch
sinkt.
Der IGCT erzeugt in dieser Anwendung
eine Gesamtverlustleistung von 973 W.
Je ein IGCT wird zwischen zwei Kühlerhälften
montiert. Jede Kühlerhälfte hat
486,5 W Verluste abzuführen. Die hierzu
notwendigen Kühlerhälften fallen mit
den Abmessungen 84 x 200 x 200 mm 3
relativ klein aus. Die Kühler müssen gegen
das Bezugspotential Erde isoliert
aufgebaut werden. Die Auslegung ist
thermisch noch nicht ausgereizt.Bei Einsatz
effizienterer Kühler, z. B. Wasserkühlern
sind deutlich höhere Wechselrichterleistungen
möglich.
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Lebensdauer
Die vorgestellten Ergebnisse zeigen,
dass der IGBT, betrieben innerhalb der
beschriebenen Grenzen, thermisch
hoch belastet ist. Der innere Aufbau eines
Modules ist immer ein lateraler
Mehrschichtenaufbau, in dem unterschiedliche
Materialien durch Löten
stoffschlüssig miteinander verbunden
werden.Die Chips sind durch viele sogenannte
Wirebonds am Emitter kontaktiert.Wird
ein solcher Aufbau durch starke
Lastschwankungen im Zeitbereich
mehrerer Sekunden zyklisch aufgeheizt
und abgekühlt, kommt es zu Materialermüdungen.
Diese bewirken den Ausfall
des IGBT-Moduls. Die zu erwartende Lebensdauer
ist abhängig vom Temperaturhub
und der Zeit, in der ein solcher
Zyklus durchlaufen wird. Je höher der
Temperaturhub ist, um so kürzer ist die
zu erwartende Lebensdauer. Bei Temperaturhüben
von 80 °C werden Lebensdauern
von einigen 10 000 solcher Zyklen
prognostiziert.
Der IGCT dagegen ist ein sogenanntes
Scheibenelement. Die verschiedenen
Materialien innerhalb der Scheibe sind
nicht stoffschlüssig miteinander verbunden.
Der Kontakt wird über den durch
eine Spannvorrichtung erzeugten
Anpressdruck hergestellt. Dies geschieht
beim Verspannen der IGCT-
Scheibe mit den beiden Kühlerhälften.
Beim zyklischen Erwärmen können die
verschiedenen Materialien innerhalb
dieser IGCT-Scheibe in gewissen Grenzen
aufeinander gleiten. Dadurch hat
der IGCT eine deutlich höhere Lebensdauer.
Bei einem Temperaturhub von 80
°C können einige 100 000 solcher Zyklen
erwartet werden. Eine Überdimensionierung
ist nicht notwendig. (jj)
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GVA LEISTUNGSELEKTRONIK
Werner Bresch ist Mitarbeiter der GVA
Leistungselektronik GmbH in 64625 Bensheim
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