3-Level-IGBT-Module Raus aus der Nische

3-Level-IGBT-Module gibt es seit über 30 Jahren – allerdings meist in Nischenanwendungen. Seit etwa fünf Jahren ändert sich das. Bei der Wahl der richtigen 3-Level-Topologie gibt es jedoch einiges zu beachten.

Nach über 30-jährigem Nischendasein hat die 3-Level-Technik seit etwa fünf Jahren wieder einen festen Platz in den Köpfen der Entwickler. Statt voller positiver und voller negativer Zwischenkreisspannung bei 2-Level-Topologien stehen bei 3-Level-Technik zusätzlich halbe positive und halbe negative Spannung am Ausgang zur Verfügung. Damit wird ein mehrstufiger Kurvenverlauf erzeugt, der einer Sinusschwingung stärker ähnelt als der zweistufige bei 2-Level-Umrichtern. Der Vorteil: Ein verringerter Klirrfaktor und ein damit verbundener reduzierter Filteraufwand. Alternativ kann der gleiche Klirrfaktor schon mit der halben Taktfrequenz erreicht werden. Durch das langsamere Ansteigen der Spannung in mehreren Stufen sinkt der Spannungshub pro Stufe, was sich positiv auf die Störausstrahlung auswirkt.

In den vergangenen Jahren haben sich zwei 3-Level-Topologien etabliert. Zum einen die NPC-Schaltung (Neutral Point Clamped; Bild 1) mit vier in Serie verschalteten IGBTs (T1 bis T4) samt antiparallelen Dioden (D1 bis D4) sowie zwei weiteren Dioden (D5 und D6), die die Spannung an oberstem und unterstem IGBT klemmen. Maßgeblich an dieser Topologie ist, dass jeder einzelne Schalter eine geringere Sperrspannung aufweisen darf als die vom Anwender insgesamt angelegte Zwischenkreisspannung. Dadurch lassen sich gegenüber einer vergleichbaren 2-Level-Schaltung entweder verlustärmere Halbleiter verwenden oder es kann eine höhere maximale Zwischenkreisspannung angelegt werden.

Neben der NPC erfreut sich die TNPC (T-Type Neutral Point Clamped; Bild 2) Schaltung großer Beliebtheit; Neuentwicklungen im Solar- und USV-Bereich der letzten anderthalb Jahre sind mehrheitlich mit der TNPC-Topologie ausgerüstet. Wie ein auf die Seite gekipptes „T“ wartet sie mit vier IGBTs und vier Dioden auf, zwei serielle IGBTs (T1 und T4, mit antiparallelen Dioden D1 und D4) zwischen Plus- und Minus-Anschluss des Zwischenkreises und zwei antiserielle IGBTs (T2 und T3, wiederum mit antiparallelen Dioden D2 und D3) zwischen Wechselspannungsausgang (AC) und dem Zwischenkreismittelpunkt (N). Mit insgesamt acht Leistungshalbleitern ist es möglich, eine zur NPC-Topologie identische Ausgangskurvenform zu erreichen. Der Aufbau der TNPC-Schaltung erinnert stark an eine 2-Level-Halbbrücke (zwischen Plus und Minus), ergänzt um die antiseriellen IGBTs zwischen N und AC; so erklärt sich auch, dass hier dieselben Spannungsbeschränkungen wie bei 2-Level-Schaltungen gelten.

Der Preis für die Mehrstufigkeit: Statt vier Leistungshalbleitern in 2-Level-Schaltungen werden mindestens acht (TNPC) oder sogar zehn (NPC) Exemplare pro Phasenbaustein benötigt. Die zusätzlichen IGBTs erfordern ebenso viele zusätzliche Treiberstufen und Controller-Ausgänge. Während die Software-Änderung zur Ansteuerung der hinzugekommenen Schalter eher marginal ausfällt, ist für das Fehlermanagement mehr Aufwand notwendig. Anders als bei der 2-Level-Technik ist es im Fehlerfall nicht erlaubt, sämtliche IGBTs auszuschalten und das System damit in einen sicheren Zustand zu bringen. Vielmehr ist bei 3-Level-NPC eine Ein- und Ausschaltreihenfolge zwingend vorgeschrieben, damit nicht einzelne Halbleiter einer höheren Spannung – nämlich der vollen Zwischenkreisspannung – ausgesetzt sind, als sie maximal verkraften können (Sperrspannung). Beim Einschalten muss zunächst ein innerer IGBT (T2 oder T3) gezündet werden; erst danach darf der zugehörige äußere IGBT zugeschaltet werden. Zum Ausschalten ist diese Reihenfolge umzukehren: ein T2 oder T3 darf nicht ausgeschaltet werden, solange ein T1 oder T4 nicht vollständig stromlos ist. Auf den Punkt gebracht: Einschalten von innen nach außen, Ausschalten von außen nach innen. Diese Reihenfolge gilt immer. Bei 3-Level-TNPC ist die Reihenfolge notwendig, um die Ausgangsspannungsform zu erhalten, jedoch ist es hier möglich, im Fehlerfall einfach alle IGBTs zeitgleich zu deaktivieren, ohne das Bauteil zu schädigen.