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www designelektronik de DESIGN&ELEKTRONIK 11 2020 37 Bild 6 Verbessertes Abschalten des IGBTs führt zu 10 dB mehr CISPR-Marge bei 30 MHz in derselben Anwendung im IGBT zu reduzieren Schwankungen der Netzversorgung können in manchen Regionen allerdings bis ±20 Prozent betragen Das heißt Entwickler müssen sicherstellen dass das Datenblatt genügend Spielraum für diese Parameter bietet Thermische Parameter wie Rth J-Cdeuten auf das erforderliche Kühlkonzept hin während Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit EMV durchgeführt werden sollten insbesondere beim Abschalten bei niedrigeren Testfrequenzen Ein weiterer Aspekt der überprüft werden sollte ist der IC sat Dieser Parameter ist im Falle eines Kurzschlusses relevant und wenn Cr beim anfänglichen Einschalten aufgeladen wird bis seine Spannung der von Cm entspricht Abschließend ist der maximal zulässige Kollektor-Strom ICE des in Durchlassrichtung vorgespannten sicheren Betriebsbereichs Forward-Biased Safe Operating Area FBSOA auf unterschiedliche Impulsbreiten hin zu überprüfen Punch-Through-IGBTs PT sind in Bild 5 Der Kurzschluss-Strom beim GT20N135SRA von Toshiba rechts ist wesentlich kleiner als bei Bausteinen vorherigen IGBT-Generation links deutlich niedriger und die Kollektor-EmitterSpannung schwingt weniger roter Kreis solchen Anwendungen die erste Wahl da sie höhere Schaltfrequenzen als die bisherigen Nicht-PT-Typen unterstützen Jüngste Entwicklungen haben die pdotierte Schicht am Kollektor gedünnt So entstehen Strukturen die als Field-StopIGBTs FS bekannt sind Dadurch lässt sich eine ndotierte Schicht erzeugen um eine rückwärtsleitende Body-Diode Reverse Conduction RC bereitzustellen was zu RC-IGBTs führt Mit einem reduzierten Schweifstrom eignen sie sich gut für weich schaltende Schaltkreise Der neueste RC-IGBT GT20N135SRA von Toshiba stellt eine neue Generation von Bauelementen dar die 20 Abei +100 °Cund 1350 Vunterstützen Dies ist ideal für induktives Erwärmen an 230 Vund für Geräte mit 2200 W Leistung bzw mittlerer Kapazität Im Vergleich zu Bausteinen der vorherigen Generation ist der Kurzschlussstrom I Csat bei +100 °Cauf etwa 150 Abegrenzt Wenn während der Startphase der Schaltung Cr geladen wird reduziert sich dadurch der Kurzschlussstrom und unterdrückt Spannungsschwankungen Bild 5 Der breitere FBSOA bedeutet auch dass höhere Ströme fließen können muss aber gegen einen Teil der Verluste abgewogen werden die in Wärme umgewandelt werden Der GT20N135SRA bietet einen maximalen Rth J-Cvon 0 48 K W Nimmt man an dass der IGBT in einem Gerät 35 Wableiten muss wäre die Temperatur zwischen Sperrschicht und Gehäuse etwa 6 Kniedriger sein als beim GT40RR21 mit 0 65 K Weinem Baustein der vorherigen Generation Zusätzlich trägt die verbesserte ndotierte Schicht verglichen mit anderen Bausteinen der Vorgängergeneration zu einer geringeren Durchlassspannung UF von 0 5 Vbei Mit einem spezifizierten Wert von 1 75 Vbei +25 °Cverringern sich die Verluste und der Wirkungsgrad steigt Der Ausschaltvorgang von IGBTs kann es erschweren die CISPR-Norm zu erfüllen da ein Widerstand im Gate-Pfad erforderlich ist um die Schaltgeschwindigkeit zu verlangsamen Dadurch jedoch steigen die Verluste Mit dem GT20N135SRA lässt sich nun ohne einen solchen Widerstand bei 30 MHz in derselben Anwendung etwa 10 dB mehr Spielraum erzielen sodass sich ein besserer Kompromiss zwischen elektromagnetischer Abstrahlung und Verlustleistung erzielen lässt Bild 6 ■ Fazit Induktionsherde bieten im Vergleich zu vielen alternativen Techniken einen höheren Wirkungsgrad und lassen sich besser regeln Es liegt jedoch in der Verantwortung des Entwicklers sich mit der Komplexität der Regelungstechnik zu befassen Die Halbleiterindustrie hat mit IGBT-Schaltern reagiert die sie über mehrere Bauteilgenerationen hinweg immer weiter verbessert hat und für optimale Leistungsfähigkeit entscheidend sind von der Wärmeableitung und EMV über die Spannungsund Stromtragfähigkeit bis hin zu einer verbesserten rückwärtsleitenden Body-Diode Der GT20N135SRA Toshibas neuester RC-IGBT kann die Markteinführung von Produkten erleichtern die Tests hinsichtlich Störabstrahlung erfüllen müssen und gleichzeitig effizienter sind Zukünftige Angebote sind zwar für Stromresonanzanwendungen bei 230 Voptimiert werden jedoch erweitert um den höheren Strombedarf größerer Kochgefäße und höhere IGBT-Spannungen für 100-V-Anwendungen abzudecken rh