Parasitäre Induktivitäten und Leistungshalbleiter – eine unglückliche Paarung

_{Titelbild parasitäre Induktivitäten und Leistungshalbleite}

Wie im täglichen Leben gibt es auch beim PCB-Design Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten, die wir nicht umgehen können und mit deren Folgen wir Leben müssen. Wenn wir zum Beispiel eine weite Strecke zu Fuß absolvieren, resultiert das in vielen Fällen in schmerzenden Füßen. Wenn wir zu lange nichts trinken, werden wir durstig. Allerdings kann man die Folgeerscheinungen recht einfach auf ein Minimum reduzieren: Wir nutzen zum Beispiel entsprechend gutes Schuhwerk und trinken einfach regelmäßig.

Mann beim Ausfüllen einer Checkliste

Das Problem mit parasitären Induktivitäten

Ähnlich ist es beim PCB-Design: Sobald Strom durch einen elektrischen Leiter fließt, wird dieser zu einer (parasitären) Induktivität. Und eine Induktivität resultiert häufig aufgrund des damit erzeugten elektromagnetischen Feldes in EMI Problemen. Aber nicht nur das. Da sie durch den Strom aufmagnetisiert werden, werden sie durch kleine Stromänderungen nicht beeinflusst. Auch definierte Logik-Level von ICs können dadurch oftmals nicht eingehalten bzw. gestört werden. Aufgrund der technologischen Entwicklung werden elektrische Komponenten immer schneller, vor allem integrierte Schaltkreise. Um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, muss schon beim Routing der Leiterbahnen auf einiges geachtet werden. Es reicht beispielsweise nicht nur zu wissen, dass der Widerstand in Leiterbahnen einen Spannungsabfall erzeugt, der das Laden kapazitiver Lasten verlangsamt. Ebenso der frequenzabhängige Widerstand von Leiterbahnen, die induktive Reaktanz, beispielsweise bei der Stromversorgung, erschwert den Design Aufwand zusätzlich.

Bei speziellen Anwendungen, wie beispielsweise Halbbrücken Konfigurationen für Leistungshalbleiter, haben parasitäre Streuinduktivitäten noch einen viel gefährlicheren Einfluss. Das Produkt aus hohem Strom und viel parasitärer Induktivität (engl. parasitic inductance) in Zusammenspiel mit den hohen Schaltfrequenz resultiert oft in hohen Überspannungsspitzen und hochfrequenten Oszillationen in Strom und Spannung. Bei der aktuellen Entwicklung von SiC-Leistungshalbleitern ist dieses Phänomen sehr ausgeprägt und gefährlich. Die aufgrund der hohen Schaltfrequenz entstehenden Stromflanken mit ihrem hohen di/dt sorgen für hohe Spannungsüberschwinger, die die maximale Sperrspannung der Bauteile um ein Vielfaches übersteigen und damit thermisch zerstören können. Außerdem wirken sich bei der Ansteuerung von Motoren durch Umrichter, in denen die Leistungshalbleiter die schaltenden Elemente sind, Überspannungen und Oszillationen negativ auf die Lebensdauer des Motors aus.

Im Spezialfall von Treiberschaltungen haben die parasitären Induktivitäten auch auf das Schaltverhalten von Hochspannungs-Leistungshalbleitern aus. Die Gateinduktivität ergibt sich aus der Zuleitung vom Treiber zum Gateanschluss des Leistungshalbleiters wie MOSFETs oder IGBTs. Bei hohen Gateinduktivitäten ergeben sich Ein-und Ausschaltverzögerungen, da der Gradient des Gatestroms kleiner und damit die Gatekapazität langsamer umgeladen wird. Dadurch wird die Schwellenspannung später erreicht und der Halbleiter langsamer geschaltet. Gerade bei neuartigen Leistungshalbleitern wie SiC-MOSFETs wird dadurch der große Vorteil der hohen Schaltfrequenzen und die damit verbundene Verlustreduzierung verspielt.

Es gilt, ähnlich wie bei den alltäglichen Problemen, diesen Zusammenhang zu verstehen und die Auswirkung auf unsere Schaltung zu niedrig wie möglich zu halten.

Die von Strompfaden aufgespannte Fläche möglichst klein halten

In erster Linie sollte immer darauf geachtet werden, dass die Fläche, die durch Hin- und Rückleiter aufgespannt wird, möglichst klein ist. Denn umso größer die aufgespannte Fläche, desto größer die entstehende Induktivität. Grundsätzlich kann man sagen, dass die parasitäre Induktivität proportional zur Schleifenfläche ist. Diese induktiven Schleifen entstehen zum Beispiel bei der Verbindung von Entkopplungskondensatoren zu den Versorgungsleitungen auf der Leiterplattenoberfläche. Oder wenn der Kondensator mit tiefer liegenden Versorgungsleitungen verbunden wird. Und wenn der Kondensator auf der Unterseite der Leiterplatte platziert und mit den Pads auf der Oberseite verbunden wird. Kleine Schleifen erreicht man zum Beispiel, wenn man die Entkopplungskondensatoren nah am IC platziert. Außerdem verringert sich die Effektivität von Rückseiten-Kondensatoren deutlich, desto dicker die Leiterplatte ist. Und je näher die Versorgungsebene zur Oberfläche ist, desto effektiver sind die Kondensatoren auf der Oberseite. Die Effektivität hängt direkt von der Gesamtinduktivität der Schleife ab, zu der auch die Serieninduktivität des Kondensators zählt.

Abbildung der Gesamtinduktivität, inkl. der Serieninduktivität

Beispiel einer Schleife auf einer Leiterplatte

Verbesserte Anordnung der Leiter, um die parasitäre Induktivität zu verringern

Bei nah beieinander liegenden Leitern wird durch die kleine parasitäre Induktivität auch damit der erzeugte Spannungsabfall begrenzt, und schnelle Stromänderungen können trotzdem erhalten bleiben.

Platzierung der Entkopplungskondensatoren

Wie erwähnt sollte darauf geachtet werden, dass die Stützkondensatoren für die ICs so nah wie möglich am IC selbst sitzen. Denn neben der kleinen Schleifenfläche und damit Induktivität, die entsteht, soll er die Betriebsspannungsschwankungen stabilisieren, die durch die schnellen Schaltprozesse der digitalen Baugruppen verursacht werden. Denn die parasitäre Induktivität in den Zuleitungen ist immer vorhanden. Mit dem Kondensator wird die Last (in dem Fall der IC) von der Wirkung der Induktivität weitestgehend entkoppelt, weshalb sich für diesen Zweck eingesetzte Kondensatoren die Bezeichnung „Entkopplungskondensatoren“ eingebürgert hat. Die plötzliche Änderung im Stromverbrauch der ICs sorgt für einen Einbruch der Betriebsspannung, der benötigte Strom kann dann allerdings vom Kondensator zur Verfügung gestellt werden, bis die Zuleitung zur Versorgung „nachkommt“. Er wird durch die Induktivität zwar langsam geladen, kann seine Energie dann aber schnell freigeben und damit die Entkopplung der beiden Komponenten realisieren. Es gibt speziell für diese Anwendung sogenannte „Low Inductive Chip Capacitors“, die aufgrund ihrer Struktur eine besonders niedrige Serieninduktivität haben.

Abbildung des Stromverbrauch auf der Leiterplatte

Abbildung des Einsatz der Entkopplungskondensatoren für die ICs

Fazit

In Tagen neuer Technologien wie Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid, die es durch ihren strukturellen Aufbau erlauben hohe Sperrspannungen sowie hohe Schaltfrequenzen zu ermöglichen, ist es wichtig, diese entscheidenden Vorteile nicht durch unüberlegtes PCB-Design zu verspielen. Wenn durch hohe Streuinduktivitäten und dadurch resultierende Überspannungen das Bauteil ausgebremst werden muss um die thermische Zerstörung zu vermeiden, ist der gewonnene Vorteil dahin. Gleiches gilt für parasitäre Induktivitäten bei der Gate-Zuleitung vom Treiber zum Halbleiter. Um das volle Potential ausschöpfen zu können, sollten also die grundsätzlichen Regeln zur Verringerung parasitärer Induktivitäten stets bedacht werden.