Einfluss des Self Turn-ON auf das Schalt- und Kurzschlussverhalten von IGBT

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Self Turn-on als dynamische kollektorstromabhängige Wechselwirkung zwischen dem Leistungs- und dem Steuerkreis eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Diese tritt besonders während des Schalt- und Kurzschlussverhaltens in Erscheinung. Der Effekt führt zu einem intrinsisch gesteuerten Verschiebungsstrom zwischen dem Drift-Gebiet in den Gate-Knoten des IGBT, welcher auf einer lokalen Änderung der Ladungsträgerkonzentration im Drift-Gebiet unterhalb der Gate-Elektrode basiert.

Heutzutage werden bereits bekannte stromabhängige Rückwirkungen für die vereinfachte Betrachtung in der Rückwirkung des spannungsabhängigen Miller-Effektes vereint. Das bietet den Nachteil, dass die Interpretation mittels dieser Vereinfachung teilweise komplex und unübersichtlich ist. Eine Trennung beider Abhängigkeiten wird demnach angestrebt.

Eine Kernkomponente dieser Arbeit bildet der direkte experimentelle und simulative Nachweis der „negativen Gate-Kapazität“, auf dessen Grundlage der Self Turn-on abgeleitet und erforscht wird. Während der Einschaltflanke führt eine Löcherakkumulation im Drift-Gebiet des IGBT und während der Abschaltflanke ein Elektronenabzug zu einem Verschiebungsstrom vom Leistungs- in den Steuerpfad des IGBT.

Die Erkenntnisse werden für die Erweiterung des kapazitiven Ersatzschaltbildes genutzt, bei dem eine Stromquelle parallel zur Miller-Kapazität gesetzt wird. Darüber hinaus wird mittels dieser Methode die Kollektor-Emitter-Spannungsabhängigkeit des Self Turn-on sowie dessen Abhängigkeit von der Anordnung der Gate-Elektrode nachgewiesen. Je höher die aufgenommene Kollektor-Emitter-Spannung und je größer die Fläche der Gate-Elektrode über dem Drift-Gebiet, desto größer der Verschiebungsstrom durch den Self Turn-on.

Zusätzlich werden die Ein- und Abschaltflanke sowie der Kurzschlussfall II in zeitliche Intervalle unterteilt und die verantwortlichen Rückwirkungen vom Leistungs- in den Steuerkreis beschrieben. Zum ersten Mal kann im Kurzschlussfall II der Self Turn-on bis zur Entsättigung des IGBT als ausschlaggebende Rückwirkung beschrieben werden. Zusätzlich werden Stromfehlverteilungen paralleler IGBT, die während der Einschaltflanke in Zusammenhang mit dem Self Turn-on stehen, nachgewiesen.