Sicherer Betrieb in der Reverse Bias SOA IGBT schalten: Vorsicht, inhomogene Stromdichteverteilung!

Von Gerd Kucera

Ein Brems-Chopper in einem Umrichter baut Energie ab, die ein bremsender Motor in den Zwischenkreis zurückspeist. Frage eines Littelfuse-Kunden: „Wir haben 400 A im Chopper-Chip eingestellt. Laut Datenblatt verträgt er einen Kurzschlussstrom von 450 A, kann maximal 300 A schalten. Trotzdem ist der Chip beim Abschalten von 400 A zerstört worden. Warum?“

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Dr. Martin Schulz ist Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe. Als erfahrener Applikationsspezialist kennt er die Tücken in der Leistungselektronik-Entwicklung im Detail.
Dr. Martin Schulz ist Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe. Als erfahrener Applikationsspezialist kennt er die Tücken in der Leistungselektronik-Entwicklung im Detail.
(Bild: VCG)

Datenblattangaben für den sicheren Betriebsbereich (SOA; Safe Operating Area) sind oft durch FBSOA und RBSOA (forward bias und reverse bias SOA) ergänzt, um darzulegen, für welchen Ansteuerzustand der sichere Betrieb gilt. Zudem gibt es den sicheren Betriebsbereich für den Kurzschlussfall, etwa in der Last oder im Inverter, der mit SCSOA (short-circuit SOA) bezeichnet ist. Im IGBT fließt dann ein Strom, der um ein Vielfaches höher als der Nennstrom ist.

Dr. Martin Schulz, Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe, erklärt, was ist im geschilderten Fall passiert ist und warum das Modul innerhalb der Spezifikation zerstört wird:

„Hier ist ein genauer Blick notwendig auf das, was tatsächlich geschehen ist und ob der Halbleiter wirklich innerhalb seiner Spezifikation betrieben wurde. Um es vorwegzunehmen: Nein, er wurde es nicht.

Das eingesetzte Modul vom Typ MDMA280UB1600 enthält, wie in Bild 1 zu sehen, einen dreiphasigen Eingangsgleichrichter und besagten Brems-Chopper. Der Datenblattauszug in Bild 2 gibt zum IGBT die zu berücksichtigenden Parameter Strom, RBSOA und SCSOA an:

Bild 1: Halbleitermodul in E2-Bauform mit Eingangsgleichrichter und Brems-Chopper.
Bild 1: Halbleitermodul in E2-Bauform mit Eingangsgleichrichter und Brems-Chopper.
(Bild: Martin Schulz)

Wichtig ist das Verständnis um diesen Datensatz, der sich auf drei Punkte zusammenfassen lässt:

Erstens: Strom und Temperatur hängen zusammen; der IGBT kann bei einer Bodenplatten-Temperatur Tc von nicht mehr als 80 °C einen Gleichstrom von 140 A führen und ausschalten.

Zweitens: Im Betrieb bewegt sich der Schalter innerhalb der Reverse Bias Safe Operating Area oder abgekürzt RBSOA. Bis zu 300 A kann der Schalter einen Strom unbeschadet abschalten unter der Voraussetzung, dass die Gate-Spannung ±15 V beträgt, der Gate-Widerstand 6, 8 Ω ist und die Spannung am Bauteil während der Schalthandlung 1200 V nicht überschreitet.

Drittens: Im Kurzschluss, der die Entsättigung des Bauelementes voraussetzt, läuft der Betrieb in der Short Circuit Safe Operating Area oder SCSOA. Hier kann der IGBT einmalig einen Strom größer als 450 A abschalten, wenn die Abschaltung innerhalb von 10 µs erfolgt.

Bild 2: Datenblattauszug zu Schlüsselparametern für den Brems-Chopper-IGBT.
Bild 2: Datenblattauszug zu Schlüsselparametern für den Brems-Chopper-IGBT.
(Bild: Martin Schulz)

Im Bereich zwischen 300 A, der durch die RBSOA-Angabe abgedeckt ist, und dem Bereich über 450 A, der in der SCSOA garantiert wird, besteht eine Lücke. Innerhalb dieser Zone darf keine Schalthandlung vorgenommen werden. Hintergrund ist die hier kurzfristig herrschende Inhomogenität in der Stromdichte auf dem Bauteil, was Bild 3 verdeutlicht.

Bild 3: Die Stromdichteverteilung am IGBT in verschiedenen Betriebspunkten. Im RBSOA (links) herrscht permanent eine nahezu homogene und unkritische Stromdichte. Im SCSOA (Bildmitte) gibt es eine hohe und nahezu homogene Stromdichte. Dieser Zustand ist nur für einen definierten Zeitraum erlaubt. Zwischen RBSOA und SCSOA (rechts) ist es aufgrund inhomogener und extrem hoher Stromdichte gefährlich. Kommen Abschaltverluste hinzu, droht die Zerstörung.
Bild 3: Die Stromdichteverteilung am IGBT in verschiedenen Betriebspunkten. Im RBSOA (links) herrscht permanent eine nahezu homogene und unkritische Stromdichte. Im SCSOA (Bildmitte) gibt es eine hohe und nahezu homogene Stromdichte. Dieser Zustand ist nur für einen definierten Zeitraum erlaubt. Zwischen RBSOA und SCSOA (rechts) ist es aufgrund inhomogener und extrem hoher Stromdichte gefährlich. Kommen Abschaltverluste hinzu, droht die Zerstörung.
(Bild: Martin Schulz)

Zurück in die Applikation, von der es sogar genau die Messdaten gibt, bei denen der IGBT im Chopper zerstört wurde. Messung und Größen gibt Bild 4 wieder. Trägt man RBSOA, SCSOA, den für Schalthandlung nicht zulässigen Bereich und den durch Strom und Spannung gegebenen Punkt aus der Messung in ein gemeinsames Diagramm ein ergibt sich Bild 5.

Bild 4: Verläufe von Strom und Spannung, die zur Zerstörung des IGBT führten. Unten recht der zerstörte Chip.
Bild 4: Verläufe von Strom und Spannung, die zur Zerstörung des IGBT führten. Unten recht der zerstörte Chip.
(Bild: Martin Schulz)

Der gewählte Betriebspunkt liegt eindeutig im verbotenen Bereich, die Schädigung des Halbleiters geschah also außerhalb seiner Spezifikation.

Bild 5: Darstellung der erlaubten und nicht erlaubten Betriebsbereiche.
Bild 5: Darstellung der erlaubten und nicht erlaubten Betriebsbereiche.
(Bild: Martin Schulz)

Wie lässt sich die Applikation nun doch betreiben, ohne den Halbleiter zu zerstören? Die verblüffend einfache Antwort: Warten.

In Bild 4 ist gut zu erkennen, dass der Strom bereits nach 2,5 µs als zu hoch detektiert und abgeschaltet wurde – der IGBT erreicht aber die SCSOA nicht. Eine einfache Pausen- oder Blanking-Zeit von wenigen µs reicht aus, um diesen Punkt zu erreichen.

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Bleibt der IGBT eingeschaltet, dann wächst der Strom zwar weiter, der Chip geht dabei aber in die Entsättigung, erreicht die SCSOA und kann innerhalb von 10µs sicher ausschalten.

Die Messung in Bild 6 zeigt, dass nach etwa 6 µs der IGBT in die Entsättigung geht, gut zu erkennen an der Spannung, die sich am Bauelement ausprägt. Der Strom wird dabei auf das etwa 3- bis 4-fache des IGBT-Nennstromes begrenzt.

Bild 6 Sicheres Abschalten eines Stromes aus der SCSOA heraus.
Bild 6 Sicheres Abschalten eines Stromes aus der SCSOA heraus.
(Bild: Martin Schulz)

Obwohl hier mehr als die zuvor „nur“ 400 A fließen, gelingt das Abschalten ohne eine Schädigung des Bauteils. Der gleiche Effekt lässt sich durch Nutzung einer zweistufigen Abschaltung erzielen. Eine Absenkung der Gate-Spannung auf beispielsweise 10 V treibt zunächst den IGBT in die Entsättigung, Abschalten mit idealerweise negativer Gate-Spannung führt dann zu einem sicheren Aus“.

Entwicklerforum Leistungselektronik

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(Bildquelle: VCG)

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