Treiber-Kerne statt diskrete Lösungen Steuerung von IGBTs

Sind IGBTs als Kreuzung aus MOSFET und Bipolartransistor genügsame, gutmütige und einfach steuerbare Leistungsbauelemente? Ja, durchaus – doch bieten fertige, hochintegrierte Treiber-Module erhebliche Vorteile gegenüber selbstentwickelten Schaltungen.

Ecodesign bzw. grüne (Leistungs-) Elektronik ist in aller Munde – ob nun im Kleinen wie in Elektroautos oder im Großen wie im Sahara-Stromprojekt Desertec. IGBTs und MOSFETs spielen dabei eine wichtige Rolle; doch um energiesparend zu sein, müssen sie optimal angesteuert werden.

Heutige IGBT-Module – vom Einzelbaustein bis zum Sevenpack – sind komplexe, anwendungsfertige und flexibel steuerbare Bausteine, die ältere Halbleiter-Bauelemente in der Leistungs- Elektronik abgelöst haben. Im Gegensatz zu einfachen Bipolartransistoren braucht der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) keinen ständigen Steuerstrom, um durchgeschaltet zu bleiben, sondern wird wie ein MOSFET nur an einer Gate-Elektrode umgeladen, um den Schaltzustand zu wechseln. Anders als der Thyristor kann der IGBT auch wieder jederzeit ausgeschaltet werden; Arbeitsfrequenzen von 200 kHz, Ströme bis 2,5 kA und Sperrspannungen bis 6,5 kV sind hier mittlerweile möglich. MOSFET-Module erlauben in ähnlichen Bauformen noch höhere Arbeitsfrequenzen.

Um derartige Leistungen zuverlässig und sicher zu schalten, ist jedoch neben dem Leistungs-Modul auch die vermeintlich simple Treiber-Elektronik entscheidend: Nur schnelle Reaktionen und für die Gate-Kapazitäten ausreichende Treiber-Leistungen, die bis in den zweistelligen Watt-Bereich gehen können, halten Umschaltverluste und Abschaltzeiten im Störfall gering (Bild 1).

Es reicht nicht, das Ausgangssignal eines Mikrocontrollers weiterzuleiten. Die üblichen Drei- Phasen-Brücken-Schaltungen erwarten eine sehr exakte Ansteuerung, wenn Leistungsverluste oder gar Schaltfehler vermieden werden sollen, die das Modul gefährden und bei den großen umgesetzten Leistungen auch sonst fatale Folgen haben könnten. Auch die Langzeitstabilität ist wichtig: Isolations- und Kriechstrecken, die bei der Montage noch korrekt sind, können infolge von Diffusionseffekten langfristig zu Ausfällen führen.

Auf den ersten Blick kostengünstige Eigenentwicklungen, die nur die Grundfunktionen einer Treiber-Schaltung bereitstellen, können langfristig nicht mit so genannten intelligenten Treibern mithalten. Letztere berücksichtigen die möglichen Schwachstellen eines Hochleistungs-IGBT-Systems und können durch den integrierten Schutz rechtzeitig mögliche Ausfälle verhindern.

Komplexe Steuerung notwendig

Ein IGBT wird beispielsweise durch eine Spannung von +15 V am Gate durchgeschaltet und sperrt bei 0 V. Dies klingt nach einer einfachen Ansteuerung, doch in einer Halbbrücke kann die Miller-Kapazität des zweiten IGBT dazu führen, dass dieser spontan ebenfalls durchschaltet, wenn der erste IGBT eingeschaltet wird. Die Folge: Ein kurzzeitiger Kurzschluss, der mindestens zu massiven Transienten im System führt, wenn nicht gar zu Beschädigung und Ausfall der IGBT-Module. Eine negative Vorspannung eines gesperrten Gates ist erforderlich, um dieses unerwünschte Durchzünden zu verhindern – und schon steigt der Schaltungsaufwand, insbesondere beim High-Side-IGBT der Brücke: 10 bis 25 kV/µs sind hier für die Schaltflanken notwendig; zusammen mit der Potentialdifferenz ist dies nicht mehr trivial. Ebenso enden die Umladeströme, die für schnelles Schalten erforderlich werden, schnell im Ampere- Bereich und die Treiber-Leistung damit nicht mehr im Milliwatt-, sondern im Watt-Bereich – der Treiber wird selbst zum Leistungs-Bauelement.

Bei Kurzschlüssen muss der IGBT schnell abgeschaltet werden. Ein Kriterium hierfür ist die an ihm abfallende Spannung: Liegt sie deutlich über dem Sättigungswert, so ist der IGBT entsättigt und muss abgeschaltet werden, bevor seine zulässige Verlustleistung überschritten ist. Dies funktioniert in Multilevel-Systemen allerdings nicht so einfach: Um Schäden zu vermeiden, muss hier stattdessen die übergeordnete Steuerung eingreifen und die IGBTs in der korrekten Reihenfolge abschalten. Ebenso sollte der Treiber nur bei korrekten Versorgungsspannungen aktiv werden, so werden unsaubere Schaltvorgänge vermieden.

Natürlich kann all das diskret umgesetzt werden, doch werden Entwicklungs- und Bauteile- Aufwand erheblich: Eine auf einem Halbleiter monolithisch integrierte Lösung ist wesentlich effektiver und kostengünstiger. Zwar gibt es neben einfachen IGBTModulen auch moderne IPM-Bausteine (Intelligent Power Module) mit eigenen, integrierten Schutzschaltungen, doch bieten diese keine galvanische Trennung und schränken die möglichen Leistungsdaten durch die feste Schutzschaltung ein. Es werden also immer noch diskrete, externe Bauteile notwendig, was Zuverlässigkeit und Kosten negativ beeinflusst. Zudem ist ein eigenständiges Abschalten des Leistungshalbleiters in Anlagen mit Multilevel-Betrieb nicht sinnvoll bzw. kann diesen und die Anlage sogar zerstören – hier ist eine kontrollierte Abschaltsequenz einzuhalten. Es ist daher sinnvoller, Schutzschaltungen gleich in den Treiber zu verlegen.