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IEGT (PPI & PMI)

Ein Injection-Enhanced Gate Transistor (IEGT) ist ein spannungsgetriebenes Gerät zum Schalten von Starkstrom. Die Fertigung von einzelnen Gate Bipolar Tansistors (IGBT) mit hoher Kollektor-Emitter-Spannung (VCES) ist aufgrund des hohen Anstiegs der On-State-Spannung in Starkstrombereichen schwierig. Um diese Einschränkung zu meistern, werden die IEGT mit einer einzigartigen Emitterstruktur gefertigt. Außerdem ermöglichen die außergewöhnliche Ausschaltleistung und der große sichere Betriebsbereich des IEGT den Stromverbrauch zu senken, die Größe des Geräts zu verringern und die Effizienz zu steigern. IEGT eignen sich perfekt für Industriemotorsteuerungen, die eine soziale Infrastruktur unterstützen, einschließlich industrieller Fahrsysteme und Stromwandler. IEGT von Toshiba sind mit Press-Pack-Gehäusetyp oder als Modulgehäusetyp verfügbar. Sie können IEGT wählen, die der Leistungskapazität und den Lastmerkmalen Ihrer Anwendung am besten entsprechen.

Einsatzbereiche

  • Stromwandler für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC)
  • Statische Kompensationsanlagen (Static Var Compensators, SVCs)
  • Mittelspannungsumrichter

Application Note

  • Bahntraktion
  • U- und S-Bahnen
  • Windräder

Produktmerkmale der IEGT

Abgesehen von der guten Leistung der IEGT ist Toshiba der einzige interne Hersteller von zwei IEGT-Gehäusetypen, dem Press-Pack-Typ und dem Modultyp.

Mit den Vorzügen der zwei Gehäuse erfüllt Toshiba jeweils die Erwartungen der Kunden.

Hybride Module mit Siliziumkarbiddioden aus neuem Material unterstützen die Vorteile der jeweiligen Anwendung.

Funktionsweise

  • Abschnittsübergreifende Struktur eines IGBT und die Faktoren zur Begrenzung der Kollektor-Emitter-Spannung

Abbildung A zeigt die abschnittsübergreifende Struktur eines konventionellen IGBT und die Carrier Distribution in der N-Basis-Region. Die Carrier-Konzentration verringert sich in der N-Basis-Region gleichförmig von der Kollektor-Elektrode zur Emitter-Elektrode. Um die Kollektor-Emitter-Spannung eines IGBT zu erhöhen, ist eine tiefe N-Basis-Region zwischen der Kollektor-Elektrode und der Emitter-Elektrode erforderlich. Eine tiefere N-Basis-Region führt jedoch zu einer geringeren Carrier-Konzentration. Der daraus resultierende höhere elektrische Widerstand führt zu einem höheren Spannungsabfall und damit zu einer Erhöhung der On-State-Spannung.

  • Merkmale der Gate-Struktur des IEGT und des Einschussverstärkereffekts (IE)

Abbildung B zeigt die abschnittsübergreifende Struktur und die Carrier Distribution in der Region N-Basis. Die Struktur des IEGT ist mit der Struktur des IGBT vergleichbar, jedoch hat sie eine breitere Trench-Gate-Struktur als das IGBT. Die Struktur erhöht den Gate-zu-Emitter Widerstand, und verhindert, dass die Carriers die Emitter-Seite passieren. Folglich erhöht sich die Carrier-Konzentration in der Nähe der Emitter-Elektrode in der N-Basis-Region. Da dieses Phänomen denselben Effekt hat wie das Einschießen und die Akkumulation von Carrier, wird es Einschussverstärkereffekt genannt (Injection Enhancement Effect (IE). Die Trench-Gate-Struktur hilft den Anstieg des Spannungsabfalls zu reduzieren auch bei einer höheren Kollektor-Emitter-Nennspannung.

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Abbildung A Abschnittsübergreifende Ansicht und Carrier-Distribution in einem IGBT

Da die Carrier-Konzentration in der Nähe des Emitters gering ist, führt die Erhöhung der Kollektor-Emitter-Nennspannung zu einer Erhöhung der On-State-Spannung.

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Abbildung B Abschnittsübergreifende Ansicht und Carrier-Distribution in einem IEGT

Die Carrier-Konzentration in der Nähe des Emitters wird verstärkt. Folglich erhöht sich der Elektroneneinschuss und die On-State-Spannung verringert sich.

Gehäusekonzepte

Press-Pack-Gehäuse

  • Elektrische Verbindungen mithilfe von Druck
  • Hohe Zuverlässigkeit aufgrund der hermetischen Abdichtung
  • Einzigartige Parallelbetrieb-Technologie
  • Bruchsichere Gehäusestruktur

Kunstoffmodulgehäuse

  • Einfach zu montierendes Kunststoffmodulgehäuse
  • Grundplatte gefertigt aus AI-SiC-Verbundwerkstoff

Produkteinführung

Press-Pack-IEGT (PPI)

Alle elektrischen Verbindungen eines PPI werden mithilfe von Druck hergestellt. Ohne Drahtbonden sind die PPI resistenter gegen Wärmeermüdung. Die Verwendung mehrere PPI in Reihe gewährleistet den ununterbrochenen Betrieb, auch wenn einige PPI aufgrund von Stromausfall oder eines Schadens ausfallen. Das kann durch einen Kurzschluss der Kollektor- und Emitter-Elektroden der schadhaften PPI verursacht werden. PPIs können sowohl von der Kollektor- als auch von der Emitter-Seite gekühlt werden. Das Press-Pack ist in einem keramischen und metallischen Gehäuse hermetisch abgedichtet, hoch feuchtigkeitsbeständig und kann zum wirkungsvollen Kühlen in ein Kühlmittel getaucht werden.

Merkmale der PPI

  • Elektrische Verbindungen mithilfe von Druck

Mehrere IEGT-Chips sind in Reihe auf derselben Ebene platziert und die einzelnen IEGT-Chips werden gleichförmig von beiden Seiten mithilfe einer Molybdän-Platte verpresst. Die Kollektor- und Emitter-Elektroden jedes IEGT-Chips werden durch die entsprechenden Kupferelektroden des Press-Pack-Gehäuses mithilfe des mechanischen Drucks der Molybdänplatte in Kontakt gebracht. Das ermöglicht nicht nur die elektrischen Verbindungen, sondern auch die Wärmeableitung.

  • Hohe Zuverlässigkeit aufgrund der hermetischen Abdichtung

Innerhalb des Press-Packs wird das Schutzgas hermetisch abgedichtet, um zu verhindern, dass die Elektroden durch Oxidation degradieren. Die PPI bieten somit eine hohe thermische Zuverlässigkeit.

  • Einzigartige Parallelbetrieb-Technologie

Die Verkabelung in der Gate-Anschlussplatte ermöglicht das simultane Schalten aller parallelen IEGT-Chips, so dass sie beim Schalten nicht interferieren oder oszillieren.

  • Bruchsichere Gehäusestruktur

Die IEGT-Chips befinden sich auf einem Kunststoffrahmen und sind deshalb weniger anfällig für Bruch, selbst wenn ein Chip schmilzt oder beim Schalten zerstört wird.

Beispiel für die Installation eines PPI

Im dargestellten Beispiel sind drei in Reihe geschaltete PPI vertikal gestapelt.

Die PPI wurden zwischen den Kühlrippen platziert und der Druck wird von oben und von unten aufgelegt, um sie stabil zu halten. Es ist eine umfangreiche Einrichtung erforderlich, um zu gewährleisten, dass der Druck gleichmäßig über die PPI hinweg verteilt angewendet wird. Die Feder reduziert die thermische Kontraktion, um den Druck konstant zu halten.

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PPI-Produktportfolio

Part Number Package Absolute Maximum Ratings VCE(sat)(V) VF(V)

VCES

(V)

IC
(A)

Tj

(˚C)

Max Test Condition
@IC (A) / VGE(V)
Max
Test Condition
@IC (A) / VGE (V)
ST1200FXF24 PPI85B 3300 1200 125 4.2 1200 / 15 3.8 1200 / 0
ST750GXH24 PPI85B 4500 750 125 4.0 750 / 15 4.2 750 / 0
ST1200GXH24A PPI85B 4500 1200 125 3.8 1200 / 15
ST1500GXH24 PPI125A2 4500 1500 125 4.0 1500 / 15 4.2 1500 / 0
ST2100GXH24A PPI125A2 4500 2100 125 4.0 2100 / 15

Anwendungsbeispiele

Stromwandler für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC)

HVDC-Übertragung dient der effizienten Fernübertragung erneuerbarer Energien z. B. von Windrädern im Meer zu den Standorten, wo der Strom verbraucht wird. Die generierte Wechselstromspannung wird in Gleichstromspannung umgewandelt und über große Entfernungen über Land oder per Unterseeleitungen übertragen Am Ende der Übertragung wird die Gleichstromspannung wieder in Wechselstromspannung umgewandelt, um die Stromverbraucher zu versorgen. PPIs werden bei Hochspannungswandlern eingesetzt.

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Statische Kompensationsanlagen (Static Var Compensators, SVCs)

SVCs sind elektrische Anlagen zur Verbesserung der elektrischen Qualität (z. B. Blindleistungskompensation) von Übertragungsnetzen. PPIs kommen in Hochspannungs- und Starkstromgeräten für aktive SVC-Anwendungen wie VAR-Generatoren (SVG) und statischen Kompensationsanlagen (STATCOM) zum Einsatz.

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Mittelspannungsumrichter

Aufgrund der Reihenschaltung und der zweiseitigen Kühlung eignen sich PPIs ideal für Hochleistungs-Wechselrichteranwendungen.

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IEGT-Kunststoffmodulgehäuse (PMIs)

PMIs können an eine Kühlrippe geschraubt werden und vereinfachen die Montage. PMIs enthalten eine AI-SiC Grundplatte mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten und haben eine optimale interne Struktur und optimale interne Teile. Deshalb sind sie weniger anfällig für Wärmeermüdung und liefern eine bessere Lastwechselfähigkeit, die eine längere Lebensdauer gewährleistet. Das PMI-Gehäuse ist aus Material mit hohem CTI-Wert* gefertigt und ist beständiger gegen Tracking-Zerstörung. Das verbessert die Isolationsspannung an der Gehäuseoberfläche.

*CTI (Kriechstromzahl)

Merkmale der PMI

  • Einfach zu montierendes Kunststoffmodulgehäuse

Viele IEGT-Chips sind auf eine isolierende Keramikplatine gelötet und an die Modulanschlüsse drahtgebondet. Das Kunststoffmodul ist benutzerfreundlich, denn es leitet an einer Seite Wärme ab und ist intern isoliert.

  • Grundplatte gefertigt aus AI-SiC-Verbundwerkstoff

Um die Wärmestabilität zu gewährleisten, hat das Paket eine Aluminium-Siliziumkarbidplatte (AI-SiC) mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten an der Unterseite.

Beispiel für die Installation eines PMI

Mithilfe der 2-in-1 PMIs kann ein kompakter Wechselrichterschaltkreis erstellt werden, der zwei IEGTs enthält.

Das Beispiel zeigt die richtige Verwendung der drei 2-in-1 PMIs. Die Streuinduktivität kann mithilfe einer laminierten Elektrodenplatte reduziert werden.

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PMI-Produktportfolio

Part Number Package Absolute Maximum Ratings VCE(sat)(V) VF(V)


Circuit
Configuration

VCES

(V)

IC
(A)

Tj

(˚C)

Max

Test Condition
@IC (A) /

VGE(V)

Max

Test Condition
@IC (A) /

VGE (V)

MG1200V2YS61** PMI142C 1700
1200 150 TBD 1200 / 15 TBD 1200 / 0 2 in 1
MG400FXF2YS53 PMI143C 3300
400 125 4.5 400 / 15 3.5
400 / 0 2 in 1
MG500FXF2YS61 PMI142C 3300 500 150 4.6
500 / 15 4.1
500 / 0
2 in 1
MG800FXF1US53 PMI143B 3300 800 125 4.5 800 / 15 3.5
800 / 0 1 in 1
MG1200FXF1US53 PMI193 3300 1200 125 4.5 1200 / 15 3.5
1200 /0
1 in 1
MG1500FXF1US62 PMI193D 3300 1500 150 3.8 1500 / 15 3.8 1500 / 0 1 in 1
MG1500FXF1US63 PMI193D 3300 1500 150 3.8 1500 / 15 3.8 1500 / 0 1 in 1
MG900GXH1US53 PMI193 4500 900 125 4.7
900 / 15 3.8 900 / 0 1 in 1
MG1200GXH1US61 PMI193D 4500 1200 150 4.0 1200 / 15 3.6 1200 / 0 1 in 1

**: Under development

Anwendungsbeispiele

Bahntraktion

PMIs eignen sich für Wechselrichter und Wandler von Fahrmotorantrieben in Schienenverkehrssystemen, einschließlich Shinkansen, Hochgeschwindigkeitszüge und S-Bahn. PMIs verbessern die Effizienz und sparen Energie.

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U- und S-Bahnen

PMIs kommen bei Wechselrichteranwendungen für Fahrmotorantriebe zum Einsatz, die über Gleichstromüberleitungen mit Strom versorgt werden.

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Windräder

IEGTs sind häufig in Stromwandlern von Windrädern anzutreffen, die Windenergie in Elektrizität umwandeln.

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Hybrider IEGT/SiC-SBD-Module

Zu den Anforderungen an Schienenfahrmotorsteuerungen zählt nicht allein die geräuscharme und komfortable Fahrt, sondern sie müssen außerdem kompakt, leicht und energieeffizient sein. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Toshiba das Kunststoffmodulgehäuse IEGT (PMI) entwickelt, das Schottky Barrieredioden aus Siliziumkarbid (SiC-SBD) enthält.

SiC: Siliziumkarbid
PMI: IEGT-Kunstoffmodulgehäuse

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Hybrider IEGT/SiC-SBD-Module – Produktportfolio

Part Number Package Absolute Maximum Ratings VCE(sat)(V) VF(V) Circuit Configuration
VCES
(V)
IC
(A)
Tj
(˚C)
Max Test Condition
@IC (A)
/VGE(V)
Max
Test Condition
@IC(A)
/VGE(V)
MG1200V2YS71

PMI142C

1700

1200

150

3.8

1200 / 15

3.5

1200 / 0

2in1

MG1500FXF1US71

PMI193D

3300

1500

150

3.8

1500 / 15

4.6

1500 / 0

1in1

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