Gate-Widerstände konfigurieren IGBTs parallel ansteuern

Da die Nachfrage nach immer leistungsfähigerer Elektronik weiter steigt, müssen Lasten mit hohen Spannungen und Strömen angesteuert werden. Um diese bereitzustellen, sind parallel geschaltete leistungselektronische Bauteile erforderlich, zum Beispiel IGBTs. Doch das ist alles andere als trivial.

Möchte ein Entwickler zwei oder mehrere IGBTs parallel schalten, muss er einiges beachten, unter anderem die Verbindung der Gates. Parallele IGBTs können einen gemeinsamen Gate-Widerstand verwenden, getrennte Widerstände oder eine Kombination aus beiden Möglichkeiten. Meist werden getrennte Gate-Widerstände empfohlen. Es gibt aber auch gute Gründe, einen gemeinsamen Gate-Widerstand einzusetzen.

Bei der Ansteuerung paralleler IGBTs muss man zuerst den gesamten erforderlichen Ansteuerstrom berücksichtigen. Steht kein geeigneter Treiber für den gesamten Basisstrom aller parallelen IGBTs zur Verfügung, sind diese über einzelne Treiber anzusteuern. Dabei benötigt jeder IGBT seinen eigenen Gate-Widerstand. Die meisten Treiber sind schnell genug, um die Einschalt- und Ausschaltimpulse innerhalb von einigen 10 ns bereitzustellen.

Für das IGBT-Timing ist dies völlig ausreichend, da sie meist innerhalb weniger hundert Nanosekunden schalten. Kommt ein einzelner Treiber zum Einsatz, kann sich der Entwickler auf die Konfiguration der Gate-Widerstände konzentrieren. Der Nachteil einzelner Gate-Widerstände ist die zunehmende Zeitabweichung, da die Steuerspannung an den Gates beim Ein- und Ausschalten nicht gleich bleibt.

Obwohl die Gate-Impulse auf der Treiberseite der Widerstände genau gleich sind, sorgen die Abweichung der Gate-Ladung, der Gate-Widerstand und die Impedanz der Leiterplatte für variierende Anstiegs-, Abfall- und Verzögerungszeiten an den IGBT-Gates. Trotzdem befürworten viele den Einsatz einzelner Gate-Widerstände, da sie mögliche Schwingungen zwischen den IGBTs minimieren.

Schwingungen treten aufgrund der Streuinduktivität (vor allem im Emitterkreis) des Layouts auf. Hinzu kommen die Gate-Kapazität und die Verstärkung der IGBTs. Eine kleinere Induktivität im Emitterkreis sorgt für weniger parasitäre Schwingungen. Ein gemeinsamer Gate-Widerstand gewährleistet, dass sich beide Gates stets auf dem gleichen Potenzial befinden.

Nur ein kleiner Unterschied ergibt sich durch die parasitäre Abweichung im Impedanzpfad. Dies kann die Unterschiede bei den Verlusten verringern und dazu beitragen, dass IGBTs den Strom während des Schaltens gleich aufteilen. Gemeinsame oder einzelne Gate-Widerstände wirken sich nicht auf die Höhe des Gleichstroms aus, da alle IGBT-Gates schlussendlich auf die Gate-Bias-Spannung aufgeladen werden. Ein gemeinsamer Gate-Widerstand wird auch von anderen Quellen empfohlen, findet sich aber nicht so häufig wie einzelne Gate-Widerstände.

Konfigurationen im Vergleich

Um die verschiedenen Gate-Widerstandskonfigurationen zu testen, wurden zwei IGBTs aus einer Gruppe von 22 ausgewählt. Die beiden Bausteine wurden aufgrund ihrer abweichenden Eigenschaften ausgewählt. Die Grafik in Bild 1 zeigt ein Streudiagramm der beiden IGBTs und stellt die Sättigungsspannung VCE(sat) sowie die Gesamtschaltverluste der Bausteine dar. Bei den getesteten Bausteinen handelte es sich um die IGBTs vom Typ »NGTB40N60IHL« von ON Semiconductor mit 600 V Sperrspannung und 40 A maximalem Kollektorstrom.

Die Varianten 1 und 26 wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen Parameter ausgewählt: Die Einschaltverluste betragen 1,65 mJ beziehungsweise 1,85 mJ; die Ausschaltverluste 0,366 mJ beziehungsweise 0,390 mJ. Mit einem einzelnen Treiber und separaten 22-Ω-Gate-Widerständen ist die Abweichung der Stromverläufe beim Ausschalten deutlich sichtbar (Bild 2). Gründe sind die unterschiedlichen Schaltgeschwindigkeiten und Schwellenwerte, Steilheit (Transconductance) und Gate-Ladungscharakteristika der beiden Bausteine.

Bild 3 zeigt den Signalverlauf mit einem gemeinsamen 11-Ω-Gate-Widerstand, der beide Gates zu jeder Zeit auf dem gleichen Potenzial hält. Die Abweichung beim Ausschalten wird damit größtenteils verringert.

Aus den beiden Signalverläufen ist ersichtlich, dass die Konfiguration der Gate-Widerstände die Gleichstrom-Abweichung nicht verändert. Da sich die Wahrscheinlichkeit von Schwingungen zwischen den Bausteinen nicht bestimmen lässt, bevor das System entwickelt ist und ein Prototyp vorliegt, kann eine Gate-Schaltung vorgeschlagen werden, die einzelne, gemeinsame und eine Kombination aus Gate-Widerständen verwendet (Bild 4).

Gate-Widerstände individuell anpassen

Die Kombinationsschaltung bietet die Möglichkeit, die Werte der Gate-Widerstände anzupassen - basierend auf der parasitären Impedanz des eigentlichen Schaltkreises. Sind bei der Schaltung mit gemeinsamem Gate-Widerstand Schwingungen zu erkennen, lässt sich dieser Widerstand in einen gemeinsamen und einen separaten Bestandteil trennen. Für optimale Leistung und um Schwingungen zu vermeiden sollten die einzelnen Widerstände soweit wie möglich dem Gesamt-Gate-Widerstand entsprechen.

Der Schaltkreis lässt sich für bestimmte Betriebs- und Umgebungsbedingungen einfach anpassen. Somit lassen sich die Gate-Spannungen beim Ein- und Ausschalten so nah wie möglich auf den gleichen Potenzialen halten. Separate Widerstände lassen sich nach Bedarf hinzufügen. Dies gewährleistet, dass die Bausteine sich nicht gegenseitig in Schwingungen versetzen. So lassen sich maximale Systemzuverlässigkeit und Performance erreichen.

Über den Autor:

Alan Ball ist IGBT Applications Engineering Manager bei ON Semiconductor.