IGBT-basierte Schaltmodule für Leistungsmodulatoren

Die Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von Halbleiterbauelementen und der Entwicklung von Schaltmodulen für Leistungsmodulatoren. Die Zielanwendung, ein industrieller Stickstofflaser, erfordert ein Schaltmodul mit einer Sperrspannung von 12kV, einem Schalterspitzenstrom von 600A und einer Impulsleistung von mindestens 1MW. Für die Erfüllung dieser Zielstellungen sind Stromanstiegsgeschwindigkeiten von bis zu 25A/ns notwendig. Der Schwerpunkt liegt auf der Verwendung von 1200V- und 1700V-Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), da sich diese gegenüber den bisher verwendeten MOS-Controlled Thyristoren (MCT) durch gute Verfügbarkeit und geringe Preise auszeichnen. Zur Steigerung der Einschaltdynamik von IGBTs wird die “Gate-Boosting“-Ansteuerstrategie genutzt und weiterentwickelt. Die Gatespannung ist während des Schaltvorgangs zeitweise auf bis zu 80V erhöht, wodurch dem IGBT die zum Einschalten notwendige Gateladung in maximal 40ns zur Verfügung steht. Die IGBT-Nacktchips werden in speziellen Schaltungen hinsichtlich ihres maximalen Schaltvermögens untersucht. In einer zum Stickstofflaser skalierten CC-Topologie erreichen diese einen Schalterspitzenstrom von 600A mit einer maximalen Stromanstiegsgeschwindigkeit von 30A/ns. Für die CC-Topologie des Stickstofflasers wird ein Basisschaltmodul mit einer Sperrspannung von 12kV entwickelt und untersucht. Der Aufbau ist durch eine Reihenschaltung aus maximal 11 IGBT-Schaltzellen und einer galvanisch getrennten Ansteuerung charakterisiert. Die Untersuchungen dieser Schaltmodule in verschiedenen Konfigurationen der CC-Topologie im Stickstofflaser bestätigen die Ergebnisse der Einzelbauelementcharakterisierung und zeigen, dass sie die geforderte Impulsleistung unter Nutzung von “Gate-Boosting“ zur Verfügung stellen können. Zusätzlich wird die Parallelschaltung zweier Module mit 1700V-IGBTs untersucht. Diese schalten gemeinsam einen Spitzenstrom von 1311A bei einer maximalen Stromanstiegsgeschwindigkeit von 39A/ns. Der Vergleich zwischen den verschiedenen IGBT- und einem MCT-basierten Schaltmodul ergibt, dass die 1200V-IGBTs die größte Impulsleistung erreichen. Die angestrebte Ablösung der MCTs durch IGBTs im Stickstofflaser ist möglich. Dadurch können die Kosten für die Schaltmodule gesenkt und die Zuverlässigkeit gesteigert werden. Darüber sind die Ergebnisse die Grundlage für die Nutzung IGBT-basierter Schaltmodule in weiteren Applikationen mit größerem Impulsleistungsbedarf wie bspw. Excimer-Laser.