Ratgeber: Performance Upgrade Frag den Schulz! Wenn alle Theorie nicht weiterhilft

Von Gerd Kucera

Daniel H. aus S. wüsste gerne: „Warum schlägt mein Upgrade-Versuch fehlt? Ich will lediglich durch ein baugleiches aber leistungsstärkeres Bauteil mehr Performance der Schaltung erreichen.

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Dr. Martin Schulz ist Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe. Als erfahrener Fallanalytiker kennt er die Tücken in der Leistungselektronik-Entwicklung nur zu gut.
Dr. Martin Schulz ist Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe. Als erfahrener Fallanalytiker kennt er die Tücken in der Leistungselektronik-Entwicklung nur zu gut.
(Bild: VCG/Littelfuse)

Seine Frage ausführlich: In einem bewährten Design soll durch möglichst geringe Änderung für eine neue Variante die Leistungsfähigkeit steigen. Der bisher verwendete 30-A-Halbleiter arbeitet völlig problemlos. Nach Ersatz durch ein baugleiches Element mit 40 A fällt der Aufbau aber aus. Was ist da los?

Zunächst wichtig ist, was mit „baugleichem Element“ gemeint ist, denn vermutlich liegt in dieser vagen Beschreibung schon ein Teil des Problems. Nach der Rückfrage, um genau welche Bauelemente es sich handelt, ergab sich, dass ein IGBT des Typs IXGH32N120A3 durch einen Typen IXYH40N120A4 ersetzt wurde. „Baugleich“ an diesen beiden Halbleitern ist aber lediglich das TO247-Gehäuse.

Vergleich der Datenblätter

Ein Vergleich der Datenblätter beider Typen zeigt die entscheidenden Unterschiede auf, die vermutlich den Fehlschlag erklären. Beim Austausch schaltender Halbleiter muss die vorhandene Ansteuerung berücksichtigt werden. So findet sich in den Datenblättern diese Gegenüberstellung (siehe Grafik dazu).

Wie sich zeigte, blieb der vorhandene Gate-Treiber bezüglich der 20-V-Ausgangsspannung und dem mit 3,8 Ω sehr niedrig angelegtem Gate-Widerstand unangetastet. Die Konsequenz daraus ist, dass der neu eingesetzte IGBT mit einer tendenziell zu hohen Gate-Spannung und mit relativ kleinem Gate-Widerstand an den Start geht. Beide Parameter vergrößern aber die Schaltgeschwindigkeit. Schon unter günstigen Bedingungen ist der IXYH beim Ausschalten etwa um das 3,5-fache schneller als der IXGH. Werden höhere Gate-Emitter-Spannung und kleinerer Gate-Widerstand berücksichtigt, dann steigt dieser Faktor von 3,5 schnell auf 5 bis 6.

Ist das nun nicht wünschenswert? Höhere Schaltgeschwindigkeit reduziert doch die Schaltverluste? Im Prinzip ja, allerdings erhöht sich auch die Überspannung beim Abschalten. Die Spannung, der das Bauelement ausgesetzt ist, ergibt sich aus der Streuinduktivität des vorhandenen Aufbaus Ls und der Schaltgeschwindigkeit des Bauelementes zu UCE=UDC+Ls•di/dt. Lag die mit dem langsameren Bauteil bei 400 V, so ergab sich an einem auf 600 V aufgeladenen Zwischenkreis am Bauelement ein Wert von ca. 1000 V was sicher innerhalb der Spezifikation lag.

Sperrspannung: Reverse Blocking Save Operating Area

Mit dem sehr viel schnelleren Halbleiter steigt die Überspannung von 400 V auf das 3,5- bis 6-fache an. Das Resultat liegt also weit außerhalb dessen, was der Halbleiter aushalten kann; die Zerstörung des Bauteils ist damit vorprogrammiert. Im existierenden Aufbau entsteht eine Überschreitung der so genannten Reverse Blocking Save Operating Area oder RBSOA, in der die Sperrspannung des Bauelementes ein nicht zu überschreitendes Maximum darstellt.

Der Blick in die Datenblätter ist hilfreich, um zu entscheiden, ob das vorgesehene Bauteil als Ersatz in Frage kommt.
Der Blick in die Datenblätter ist hilfreich, um zu entscheiden, ob das vorgesehene Bauteil als Ersatz in Frage kommt.
(Bild: Schulz)

Was also tun? Zunächst ist ein Vergleich der Datenblätter hilfreich, um zu entscheiden, ob das vorgesehene Bauteil als Ersatz in Frage kommt. Den neuen Baustein auf die Geschwindigkeit des Vorgängers zu bremsen ist vermutlich nicht die gewünschte Lösung, weil das künstlich die Schaltverluste vergrößert. Aber „Versuch macht klug“: Ein Test mit höherem Gate-Widerstand und vielleicht einer kleinen Kapazität zwischen Gate und Emitter schadet sicher nicht und lässt sich durch Austausch oder Ergänzung von nur zwei Bauteilen schnell arrangieren. Auch wäre eine Änderung am Design eine winzige, wenn der Eingriff den gewünschten Erfolg bringt.

Soll der schnellere Baustein mit voller Effizienz – sprich Schaltgeschwindigkeit – zum Einsatz kommen, ist eine Reduktion der Streuinduktivität des Aufbaus und eine Anpassung der Gate-Kreise unumgänglich. Das mag einen größeren Aufwand bedeuten, ist aber der sinnvolle Weg.

Vorsicht bei Anwendung einer anderen Technologie

Das Problem tritt in dieser Art immer wieder auf. Es verschärft sich insbesondere dann, wenn Entwickler nicht nur ein größeres Bauelement, sondern eine ganz andere Technologie zum Einsatz bringen wollen. Verschiedentlich kam beispielsweise ein für IGBTs vorgesehenes Design zum Testen von SiC-MOSFETs zum Einsatz. Meist ist auch das von Misserfolg gekrönt, da hier die Geschwindigkeitsunterschiede gegebenenfalls noch größer ausfallen. Optimierungen zur Erhöhung von Leistungsdichte, Performance und Effizienz ist nie ein eindimensionales Problem. Es ist das System als ganzes im Auge zu behalten, um eine echte Verbesserung zu erreichen.

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