Diotec steigt in den IGBT-Markt ein

Diotec vollzieht den Sprung von Dioden zur IGBT-Technologie

Diotec hat sein Angebot über Dioden hinaus erweitert und bietet jetzt MOSFET-, IGBT- und SiC-Transistoren an. Die IGBT-Transistoren als neueste Erweiterung des Angebots sind in den TO-247-3- und TO-247-4-Ausführungen erhältlich und unterstützen Schaltströme bis zu 75 A bei 650 V und 40 A bei 1 350 V bei einer Chiptemperatur von 100 °C. Im Jahr 2025 plant das Unternehmen die Einführung von IGBT-Transistoren mit einer Nennleistung von 115 A bei 650 V und 100 A bei 1 200 V.

IGBT-Zellenstruktur

Abbildung 1 unten zeigt einen Querschnitt einer einzelnen IGBT-Zelle, die ein vertikales (Graben-)Gate und eine Feldstoppschicht umfasst, die den elektrischen Feldabfall innerhalb des Chips verbessert. Die Zelle hat typischerweise eine Breite von 2 bis 10 μm. Der Silizium-IGBT-Chip enthält Millionen dieser Zellen und kann so Ströme im Bereich von mehreren hundert Ampere schalten. Bei Schaltspannungen von 650 V beträgt die typische Dicke des IGBT-Chips zwischen 65 und 75 μm.

n– steht für den leicht dotierten n-Typ, n steht für die Standarddotierung und n+ kennzeichnet den stark dotierten Typ. Gleiches gilt für p-Typ-Halbleiter.

Der IGBT-Transistor in Abbildung 1 lässt sich problemlos durch eine antiparallele Diode ergänzen. Der untere Bereich p+ ist in abwechselnde Bereiche p+ und n+ aufgeteilt, die mit dem Kollektor verbunden sind, wodurch eine Diode mit der Struktur p+, p–, n–, n, n+ entsteht.

IGBT-Ersatzschaltbild

Rd stellt den Widerstand der Driftzone n– dar, während Rb der Gesamtwiderstand der Zonen p– und p+ ist.

Die Funktionsweise ist einfach: eine positive Spannung zwischen Gate (G) und Emitter (E) schaltet den MOSFET Q1 ein und aktiviert den PNP-Transistor Q2. Der IGBT-Transistor enthält außerdem einen parasitären NPN-Transistor Q3.

Theoretisch könnte ein sehr hoher Emitterstrom einen großen Spannungsabfall über Rb verursachen und den parasitären NPN-Transistor Q3 auslösen. In diesem Fall würde der PNP-Transistor Q2 eingeschaltet bleiben (Latch-up) und das Ausschalten von MOSFET Q1 würde seinen Betrieb nicht stoppen, was möglicherweise zu Überhitzung und einem IGBT-Ausfall führen würde. Moderne IGBT-Transistoren vermeiden dies durch Optimierung der Dotierungsgrade und der Geometrie der Zonen.

3- vs. 4-Pin-Ausführung

Der IGBT-Chip ist über Bonddrähte mit dem Gehäuse verbunden, die wie jeder Leiter sowohl Widerstand als auch Induktivität aufweisen. Die Gehäuseanschlüsse führen außerdem zu zusätzlichem Widerstand und Induktivität im Schaltkreis. Während des Schaltens erzeugen schnelle Stromänderungen eine Spannung über der Induktivität (Ve = L*di/dt), die die Gate-Emitter-Spannung (Vge) beeinflusst. Beim Einschalten gilt Vge = Vg – Ve, was den Einschaltvorgang verlangsamt und die Schaltverluste erhöht. Ähnlich verhält es sich beim Ausschalten: Vge = Vg + Ve, was den Ausschaltvorgang verlangsamt und die Verluste weiter erhöht.

Die 4-polige TO-247-4L-Ausführung fügt einen zusätzlichen Bonddraht und eine Leitung für den Emitter hinzu. Der IGBT-Treiber stellt eine Verbindung zwischen dem Gate (G) und dieser Leitung her. Da der Treiberstrom viel kleiner ist als der vom IGBT geschaltete Strom, hat die zusätzliche Drahtinduktivität einen viel geringeren Einfluss auf Vge.

Diotec IGBT

Die aktuelle IGBT-Reihe von Diotec verfügt über eine Graben-Gate-Feldstoppstruktur und umfasst antiparallele Dioden.

Diese IGBTs sind in drei Geschwindigkeitskategorien erhältlich, die mit den Buchstaben S, M und F gekennzeichnet sind:

• S – bis zu 20 kHz (ReSonanzschaltung)
• M – bis zu 50 kHz (Mittelgeschwindigkeitsschaltung)
• F – bis zu 100 kHz (Schnelles Schalten).

Diotec hat derzeit 7 IGBT-Modelle im Sortiment und plant, in Kürze 17 neue IGBTs auf den Markt zu bringen und in naher Zukunft IGBTs in SMD-Ausführungen hinzuzufügen.

Anwendungen 

• Induktionserwärmung – für Kochfelder und industrielle Anwendungen (S)
• Motorantriebswechselrichter – für Elektrofahrzeuge und Haushaltsgeräte (F)
• Solar-Wechselrichter (M)
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (M)
• Heizung mit PTC-Heizelementen (M)
• Leistungsfaktorkorrektur (PFC) (F)
• Schweißgeräte (F, M)

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