Beitrag zur Analyse des elektrischen Verhaltens von hochsperrenden rückwärts leitfähigen Insulated Gate Bipolar Transistoren

Rückwärts leitfähige IGBTs bilden einen neuen Typ von Leistungshalbleitern, welche die Funktionalität von IGBT und antiparalleler Diode in einem Chip integrieren. Zur Prävention eines Snapback der Durchlassspannung besteht der Bimode Insulated Gate Bipolar Transistor aus einer chipinternen Parallelschaltung eines konventionellen IGBTs und eines RC-IGBTs.

Der Chipaufbau von rückwärts leitfähigen IGBT führt zu einer Verringerung der Stromdichte auf Modulebene im Vergleich zu einem konventionellem IGBT/Dioden-Modul, dies gilt sowohl im Dioden-Modus als auch im IGBT-Modus, da immer nahezu die gesamte Chipfläche aktiv ist. Die geringere Stromdichte führt zu einer Verringerung der Durchlassverluste und zu einer Zunahme der Reverse Recovery-Energie, infolge der Anhebung des anodenseitigen Emitterwirkungsgrades.

Aufgrund der Struktur des BIGTs besteht die Möglichkeit die Schaltenergien durch eine Anhebung der Gate-Emitter-Spannung unmittelbar vor dem Reverse Recovery zu verringern. Diese führt zu einer Verringerung der Ladungsträgerkonzentration an der P-Wanne, da die Elektronen durch den offenen Inversionskanal abfließen. Die Reduktion der Ladung im Bauelement führt gleichzeitig zu einem Anstieg der Durchlassspannung im Dioden-Modus. Zur Minimierung der Durchlassverluste im Dioden-Modus ist es erforderlich, dass die Ansteuerung die Gate-Emitter-Spannung unter die Threshold-Spannung absenkt.

Die vergrößerte aktive Chipfläche des BIGTs wirkt sich ebenfalls auf das Schaltverhalten aus. Dieser Einfluss ist insbesondere bei der Skalierung von Parametern für Vergleichsmessungen mit einem konventionellen IGBT beziehungsweise einer konventionellen Diode zu berücksichtigen.

Die parallele Anordnung des Pilot-IGBTs und des RC-IGBTs führt zu einer inhomogenen Ladungsträgerverteilung im Bauelement. Diese wird durch die Stromdichte und die Zeit bestimmt, und hat wesentlichen Einfluss auf das elektrische Verhalten des Bauelementes. Die inhomogene Ladungsträgerverteilung ist die Ursache für das sanfte Abschaltverhalten im IGBT-Modus.