Dynamischer Avalanche beim Abschalten von GTO-Thyristoren und IGBTs

Übersicht

Die Felderhöhung durch freie Ladungsträger und die dadurch ausgelöste Avalanche-Generation (dynamischer Avalanche) beim Abschalten von GTO-Thyristoren und IGBTs werden mit Hilfe eindimensionaler Simulationsrechnungen untersucht. Mit dem snubberlosen Schaltelement wird eine induktive Last geschaltet. Sowohl bei der üblichen GTO-Abschaltung als auch bei der GTO-Kaskodenabschaltung, die im inneren Funktionsablauf mit der IGBT-Abschaltung übereinstimmt, beträgt die Feldüberhöhung in den dargestellten Fällen 20 bis 30%. Dies führt zu einer Verkleinerung des sicheren Arbeitsbereichs und einer erheblichen Vergrößerung der Abschaltverluste für Strom-und Spannungswerte, die nicht weit von der SOA-Grenze entfernt liegen. Verglichen mit der Raumladung der Löcher, die sich aus deren Strom und Driftgeschwindigkeit ergibt, ist die dynamische Feldüberhöhung jedoch gering. Dies beruht auf einer weitgehenden Kompensation der Löcher in der Raumladungszone durch Elektronen, die nach Beendigung der Injektion aus demn-Emitter (bzw. dem Source) durch den dynamischen Avalanche generiert werden. Letzterer begrenzt und steuert sich auf diese Weise selbst. Der selbstkontrollierte dynamische Avalanche bestimmt weitgehend das Ausräumen der Ladungsträger und den Spannungsaufbau während der Speicherphase der GTO-Kaskodenund IGBT-Abschaltung.

Contents

The enhancement of the electric field by free carriers and the associated avalanche generation (dynamical avalanche) during turn-off of GTO-thyristors and IGBTs are studied on the base of one-dimensional numerical simulations. The snubberless element is assumed to switch an inductive load. For the usual gate turn-off of GTOs as well as for the GTO-cascode turn-off, which in its internal mode of operation agrees with the IGBT switch-off process, the field enhancement by free carriers amounts to 20 to 30% in cases discussed in the paper. This results in a reduction of the safe operating area and a significant enhancement of switch-off losses for current and voltage values not far away from the SOA limit. Compared with the space charge of holes obtained from their current and drift velocity, however, the dynamical field enhancement is small. This is due to a high degree of compensation of the hole charge in the space charge layer by electrons, which after the termination of injection from then emitter (or source, respectively) are generated by the dynamical avalanche. In this way the avalanche process limits and controls itself. The self-controlled dynamical avalanche governs largely the sweepingout of carriers and voltage build-up during the storage phase of the GTO-cascode and IGBT turn-off process.