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Rueckwaerts sperrfaehiger IGBT mit Protonenbestrahlung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000012181D
Published in the IP.com Journal: Volume 3 Issue 5 (2003-05-25)
Included in the Prior Art Database: 2003-May-25
Document File: 5 page(s) / 167K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

I- und Matrix-Umrichter haben gegenueber dem Spannungszwischenkreisumrichter einige Vorteile, insbesondere bei der Uebertragung grosser Leistungen. Die eingesetzten Schalter muessen fuer diese Anwendungen jedoch zumindest symmetrisch sperrfaehig sein, da die Spannung aufgrund des eingepraegten Stromes positive und negative Werte annehmen kann. Neben diesen Anwendungen im hoeheren Leistungsbereich ermoeglichen bidirektional sperrfaehige Schalter ebenfalls einfachere oder effizientere Leistungsuebertragung im Anwendungsbereich der Schaltnetzteile, wie z.B. den direkten Betrieb am Versorgungsnetz ohne zusaetzliche Gleichrichtereinheit oder die Realisierung intelligenter Dimmer bzw. Steckdosen. Aufgrund der im allgemeinen vorherrschenden niedrigen Frequenzen eignen sich IGBTs grundsaetzlich fuer einen weiten Teil dieses Anwendungsbereichs. Die Schalter muessen daher fuer den Einsatz in diesen Anwendungen neben der vollen Sperrfaehigkeit in Vorwaertsrichtung ebenfalls inverse Sperrspannungen in gleicher Hoehe sperren koennen. Beim Anlegen einer positiven Sperrspannung an einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) bildet sich die Raumladungszone um die oberseitige P-Wanne aus und dehnt sich je nach anliegender Sperrspannung weit in das niedrig dotierte Basisgebiet aus (Bild 1). Beim Anlegen einer inversen oder negativen Sperrspannung an den IGBT kehren sich die Vorzeichen um, so dass sich die Raumladungszone nun um den unterseitigen-, bzw. dem anodenseitigen pn-Uebergang ausbildet (Bild 2). Da sich hier jedoch im Falle einer PT (Punch Trough)-IGBT-Struktur mit der Anode und dem Buffer hoch dotierte Gebiete gegenueber stehen, bzw. im Fall einer NPT (Non Punch Through)-Struktur zwar eine niedrig dotierte Zone zur Aufnahme der Sperrspannung vorhanden ist, jedoch kein Randabschluss zum homogenen Abbau des elektrischen Feldes existiert, sperren heute erhaeltliche IGBTs im allgemeinen nur einige 10V in Rueckwaertsrichtung (Bild 3, 4). Die Entwicklung symmetrisch sperrfaehiger IGBTs (haeufig auch bidirektional sperrfaehig bezeichnet) ist bis heute kaum voran geschritten. Statt dessen behelfen sich die Hersteller mit der Serienschaltung eines herkoemmlichen IGBTs und einer Seriendiode, die die Sperrspannung in Rueckwaertsrichtung aufnimmt (Bild 5). Leider besitzt dieses Paar eine vergleichsweise schlechte Performance, da es zum einen nicht auf die auftretenden Kommutierungsarten hin optimiert ist und zum anderen merkliche Zusatzverluste durch die zusaetzliche Diodenschwelle der Seriendiode erzeugt. Fuer die hybride Integration der Seriendiode ist ein zweiter Randabschluss des rueckseitigen pn-Uebergangs notwendig. Moegliche Realisierungen des Randabschlusses sind bereits aus der Literatur bekannt, auch gibt es bereits erste Bauelemente auf dem Markt [1, 2, 3] (Bild 6). Insgesamt besitzen diese Konzepte jedoch zweierlei Schwaechen. Zum einen ist die Struktur des Bauelementes zu stark an herkoemmliche Designs angelehnt, so dass durch die alleinige Integration der Seriendiode aufgrund der schlechteren Ausgangsvoraussetzungen bzgl. Weite, Lebensdauer und Diodenstromdichte keine Vorteile erzielt werden, sondern die Performance eher verschlechtert wird. Hier gibt es in der Literatur Ansaetze zu optimaleren Bauelementstrukturen [4]. Zum anderen benoetigt die Verlagerung des zweifelsohne notwendigen Randabschlusses des rueckseitigen pn-Uebergangs auf die Vorderseite einen Anschluss entlang der Saegekante (Bild 6). Ein rueckseitiger Randabschluss scheint aus Kostengruenden nicht ratsam.

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Rueckwaerts sperrfaehiger IGBT mit Protonenbestrahlung

Idea: Dr. Holger Kapels, DE-Muenchen; Wolfgang Scholz, DE-Muenchen

I- und Matrix-Umrichter haben gegenueber dem Spannungszwischenkreisumrichter einige Vorteile, insbesondere bei der Uebertragung grosser Leistungen. Die eingesetzten Schalter muessen fuer diese Anwendungen jedoch zumindest symmetrisch sperrfaehig sein, da die Spannung aufgrund des eingepraegten Stromes positive und negative Werte annehmen kann. Neben diesen Anwendungen im hoeheren Leistungsbereich ermoeglichen bidirektional sperrfaehige Schalter ebenfalls einfachere oder effizientere Leistungsuebertragung im Anwendungsbereich der Schaltnetzteile, wie z.B. den direkten Betrieb am Versorgungsnetz ohne zusaetzliche Gleichrichtereinheit oder die Realisierung intelligenter Dimmer bzw. Steckdosen. Aufgrund der im allgemeinen vorherrschenden niedrigen Frequenzen eignen sich IGBTs grundsaetzlich fuer einen weiten Teil dieses Anwendungsbereichs. Die Schalter muessen daher fuer den Einsatz in diesen Anwendungen neben der vollen Sperrfaehigkeit in Vorwaertsrichtung ebenfalls inverse Sperrspannungen in gleicher Hoehe sperren koennen.

Beim Anlegen einer positiven Sperrspannung an einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) bildet sich die Raumladungszone um die oberseitige P-Wanne aus und dehnt sich je nach anliegender Sperrspannung weit in das niedrig dotierte Basisgebiet aus (Bild 1). Beim Anlegen einer inversen oder negativen Sperrspannung an den IGBT kehren sich die Vorzeichen um, so dass sich die Raumladungszone nun um den unterseitigen-, bzw. dem anodenseitigen pn-Uebergang ausbildet (Bild 2). Da sich hier jedoch im Falle einer PT (Punch Trough)-IGBT-Struktur mit der Anode und dem Buffer hoch dotierte Gebiete gegenueber stehen, bzw. im Fall einer NPT (Non Punch Through)- Struktur zwar eine niedrig dotierte Zone zur Aufnahme der Sperrspannung vorhanden ist, jedoch kein Randabschluss zum homogenen Abbau des elektrischen Feldes existiert, sperren heute erhaeltliche IGBTs im allgemeinen nur einige 10V in Rueckwaertsrichtung (Bild 3, 4).

Die Entwicklung symmetrisch sperrfaehiger IGBTs (haeufig auch bidirektional sperrfaehig bezeichnet) ist bis heute kaum voran geschritten. Statt dessen behelfen sich die Hersteller mit der Serienschaltung eines herkoemmlichen IGBTs und einer Seriendiode, die die Sperrspannung in Rueckwaertsrichtung aufnimmt (Bild 5). Leider besitzt dieses Paar eine vergleichsweise schlechte Performance, da es zum einen nicht auf die auftretenden Kommutierungsarten hin optimiert ist und zum anderen merkliche Zusatzverluste durch die zusaetzliche Diodenschwelle der Seriendiode erzeugt.

Fuer die hybride Integration der Seriendiode ist ein zweiter Randabschluss des rueckseitigen pn- Uebergangs notwendig. Moegliche Realisierungen des Randabschlusses sind bereits aus der Literatur bekannt, auch gibt es bereits erste Bauelemente auf dem Markt [1, 2, 3] (Bild 6). Insgesamt besitzen diese Konzepte jedoch zweierlei...