Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Symbol Bezeichnung physikalische Beschreibung
C GE
C CE
G GC
R G
R D
R W
Gate-Emitter-Kapazität
Kollektor-Emitter-
Kapazität
Gate-Kollektor-
Kapazität
Interner Gatewiderstand
Driftwiderstand
lateraler Widerstand
der p-Wanne
Überlappung von Gate und Sourcemetallisierung; abhängig
von der Gate-Emitter-Spannung; unabhängig von der
Kollektor-Emitter-Spannung
Sperrschichtkapazität zwischen n - -Driftzone und p-Wanne;
abhängig von Zellfläche, Durchbruchspannung und Drain-
Source-Spannung
Millerkapazität: gebildet durch Überlappung von Gate und
n - -Driftzone
Widerstand des Polysilizium-Gates; in Modulen mit mehreren
Transistorchips oft zusätzliche Reihenwiderstände zur
Dämpfung von Oszillationen zwischen den Chips
Widerstand der n - -Zone (Basiswiderstand des pnp-
Transistors)
Basis-Emitter-Widerstand des parasitären npn-
Bipolartransistors
Tabelle 2.4.1 Physikalische Ursachen und Bezeichnungen parasitärer Elemente eines IGBT
Neben internen Kapazitäten und Widerständen enthält das Ersatzschaltbild eines IGBT gateseitig
einen „idealen“ MOSFET, einen npn Transistor: n + -Emitterzone (Emitter)/p + -Wanne (Basis)/n-Driftzone
(Kollektor) mit dem lateralen Widerstand der p + -Wanne unterhalb der Emitter als Basis-Emitter-Widerstand
R W
und - mit der Zonenfolge p + -Kollektorzone (Emitter)/n Driftzone (Basis)/p + -Wanne
(Kollektor) - ein pnp-Transistor, der gemeinsam mit dem npn-Transistor eine Thyristorstruktur
bildet. Das Einrasten (latch up) dieses parasitären Thyristors mit Erreichen der Einrastbedingung:
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M mit ,
pnp npn T E
npn
pnp
M: Multiplikationsfaktor
a npn
, a pnp
: Stromverstärkungen der Teiltransistoren in Basisschaltung
a T
:
Basistransportfaktor
g E
:
Emitterwirkungsgrad
würde den Verlust der Steuerfähigkeit des IGBT und damit dessen Zerstörung bedeuten und kann
prinzipiell im stationären Betrieb (durch Überschreiten einer kritischen Stromdichte, die mit ansteigender
Chiptemperatur sinkt) oder auch während des Ausschaltens (dynamisches latch-up
aufgrund des gegenüber dem stationären Ein-Zustand höheren Löcherstromes) erfolgen. Bei allen
modernen IGBT wird dieses Einrasten durch entsprechende Design-Maßnahmen unter allen
zulässigen statischen und dynamischen Betriebsbedingungen zuverlässig verhindert und würde
während des Ausschaltens erst bei einem Vielfachen der Nennstromdichte erfolgen.
Diese Maßnahmen bestehen z.B. darin, den Basis-Emitter-Widerstand R W
des npn-Teiltransistors
durch hohe Dotierung der p + -Wanne direkt unterhalb der n-Emitter, sowie durch Verringerung der
n-Emitterlänge soweit zu verringern, dass die Schwellenspannung der Basis-Emitter-Diode des
npn-Transistors in keinem zulässigen Betriebsfall erreicht wird. Weiterhin wird der Löcherstrom
(Basisstrom des npn-Transistors) durch Einstellung einer niedrigen Stromverstärkung im pnp-
Transistor sehr klein gehalten, wobei ein Kompromiss zwischen Schaltverhalten und Robustheit
einerseits und den Durchlasseigenschaften andererseits getroffen werden muss.
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