Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
2.3.3.3 Dynamische Robustheit
Bei Freilaufdioden ab einer Spannung von 1000 V ist neben softem Schaltverhalten die dynamische
Robustheit eine gleich wichtige Anforderung. Bild 2.3.17b zeigt, dass die Diode nahezu die
volle Zwischenkreisspannung aufnimmt, während noch ein beträchtlicher Tailstrom in ihr fließt.
Bei sehr steilem Schalten des IGBT (kleiner Gate-Widerstand R G
) steigen Rückstromspitze und
Tailstrom, gleichzeitig sinkt V CE
am IGBT schneller ab und liegt entsprechend mit höherem dv/dt
an der Diode an. Das elektrische Feld kann sich nur im bereits ausgeräumten Gebiet ausbreiten
(t 2
– t 4
in Bild 2.3.11 und Bild 2.3.12) wobei extrem hohe Feldstärken auftreten und ein Lawinendurchbruch
im Halbleiter bei Spannungen weit unter der Sperrspannung (dynamischer Avalanche)
ist unvermeidlich. Dynamische Robustheit kennzeichnet die Fähigkeit der Diode, den hohen Kommutierungssteilheiten
bei gleichzeitig hoher Zwischenkreisspannung standzuhalten. Alternative
zur dynamischen Robustheit ist eine Begrenzung der Kommutierungssteilheit des IGBT bzw. der
maximalen Rückstromspitze der Diode, was gleichbedeutend ist. Damit werden erhöhte Schaltverluste
in Kauf genommen.
Während sich die Raumladungszone ausbreitet, fließt durch den freigewordenen Teil der n - -Zone
ein Löcherstrom, der den Strom I R
trägt. Durch dynamischen Avalanche werden im Bereich des
pn-Überganges Elektronen und Löcher generiert. Die Löcher bewegen sich durch die hochdotierte
p-Zone. Die Elektronen aber bewegen sich durch die n - -Zone, und die effektive Dotierung ist jetzt
N
eff
N
D
p n
av
Dabei ist n av
die Dichte der durch dynamischen Avalanche erzeugten Elektronen, die vom pn-
Übergang durch die Raumladungszone laufen. Die Elektronen kompensieren die Löcherdichte
teilweise und wirken somit der Avalanche-Generation entgegen. Bei kleinen Vorwärtsströmen
nimmt auch der Rückstrom ab, und damit die Löcherdichte p. Da aber bei kleinen Strömen die
schaltenden Bauelemente ein höheres dv/dt aufweisen, kann die Belastung durch dynamischen
Avalanche gerade bei kleinen Strömen höher sein.
2.4 Leistungs-MOSFET und IGBT
2.4.1 Aufbau und prinzipielle Funktion
Leistungs-MOSFET- und IGBT-Chips besitzen bis zu 250.000 Zellen je mm 2 (50 V Leistungs-MOS-
FET) bzw. 50.000 Zellen je mm 2 (1200 V IGBT) mit Chipflächen von 0,1 bis 1,5 cm 2 (Bild 2.4.1).
Bild 2.4.1 Zellstruktur (Emittermetallisierung) eines Trench-IGBT3
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