IGBT-Module Schnell schalten ohne Filter- und Schutzlösungen

Der Skyper 12 press-fit von Semikron.
Der Skyper 12 press-fit von Semikron.

17-mm-IGBT-Module haben sich in Industrie-Antrieben durchgesetzt. Die neuen Generationen von IGBT-Chips schalten schnell und erfordern neue Wege für die EMV-Optimierung der Ansteuerelektronik. Der Skyper 12 press-fit erfüllt diese Anforderungen und senkt die Systemkosten durch den Wegfall aufwendiger Filter- und Schutzlösungen.

Den größten Markt für Leistungselektronik bilden Industrie-Antriebe. Dazu gehören Motoren, Pumpen, Kompressoren und die Automatisierungs- und Fördertechnik. Aufgrund des günstigen Formfaktors, der guten Marktverfügbarkeit und der Flexibilität haben sich in den letzten Jahren auf diesen Märkten 17-mm-IGBT-Module durchgesetzt. Diese Module ermöglichen durch ihren Aufbau eine direkte Anbindung der Ansteuerelektronik, woraus bestimmte Herausforderungen für die IGBT-Treiber entstehen. Die Modulinduktivität ist zusammen mit der Zwischenkreisinduktivität im Ansteuerkonzept zu berücksichtigen. Die neuen Generationen von IGBT-Chips schalten schnell und erfordern neue Wege für die EMV-Optimierung der Ansteuerelektronik. Der neue Skyper 12 press-fit erfüllt diese Anforderungen und senkt die Systemkosten durch den Wegfall aufwendiger Filter- und Schutzlösungen.

Induktivität bringt nicht nur Vorteile

17-mm-Module haben in der Regel eine Halbbrückenbestückung mit Lastanschlüssen auf gegenüberliegenden Seiten. Die IGBTs und Dioden sind bei den meisten Modulen jeweils antiparallel angeordnet. Einflussfaktoren für die Modulinduktivität sind das Design der DC-Anschlüsse, die Chip-Anordnung mit entsprechendem Bond-Design, die Ausführung der Strompfade und die Zwischenkreisanbindung (Bild 1). Diese Induktivität führt zu Überspannungen während des Ausschaltens des IGBTs. Diese Überspannung reduziert die Marge für den sicheren Betrieb (safe operating area) und erfordert im schlechtesten Fall Module mit höheren Spannungsklassen, als eigentlich für die Leistungsklasse notwendig wären.

Die durch diese Streuinduktivität bei einer Stromänderung erzeugte Überspannung errechnet sich aus

U = LStreuinduktivität · di/dt.

17-mm-Module haben typischerweise eine Modulinduktivität von ca. 25 nH. Das heißt, bei einem Umrichteraufbau (+75 nH Zwischenkreisinduktivität) entstehen bei 2 kA/µs Überspannungen bis 200 V. Die Treiber-Elektronik kann die Modulinduktivität nicht beeinflussen, aber die entstehenden Überspannungen durch geeignete Methoden möglichst verlustarm zu reduzieren. Dazu gibt es verschiedene Ansätze, z.B. Two Level Turn Off, Active Clamping, Soft Off oder die gewollte Gegenkopplung über die Hilfsemitter des Moduls.

Überspannungen durch Active Clamping

Ein weit verbreitetes Mittel zur Überspannungsdämpfung ist Active Clamping. Active Clamping schaltet den IGBT wieder ein, sobald eine Überspannung entsteht. Prinzipiell regelt eine Kette von Suppressor-Dioden zwischen Kollektor und Gate das Wiederaufladen des Gate, um die Überspannung zu reduzieren. Der Transistor schaltet wieder im sicheren Bereich, setzt jedoch die in der Modulinduktivität gespeicherte Energie in Wärme um. Im IGBT entsteht bei diesem Verfahren schnell eine erhebliche zusätzliche Verlustleistung. Diese Verluste beschleunigen die Alterung der Bauelemente und beschränken die Zuverlässigkeit des Umrichters. Dazu kommen die Toleranzen der Clamping-Dioden über den Temperaturbereich. Silizium-Dioden haben dabei herstellerunabhängig einen ähnlichen Temperaturverlauf aufgrund der Materialkonstante. Diese Toleranzen begrenzen stark die maximal nutzbare Zwischenkreisspannung.

Active Clamping arbeitet wie ein klassischer Regler. Tritt in der Regelung eine Verzögerung auf, erzeugt das Oszillationen. Die Clamping-Schaltung muss im Falle einer Überspannung mehr Strom liefern, um gegenüber dem Ausschalten der Treiber-Elektronik dominant zu sein. Die Trägheit von Diode, IGBT und internem Gate-Widerstand führen jedoch zu einer Verzögerung. Das Clamping regelt trotz Verzögerung und sieht dann eine extreme Abweichung zum Sollwert. Die eintretende verzögerte und harte Regelung kann schließlich zusätzliche Oszillationen und somit unkontrollierte Überspannungen erzeugen.

Eine Alternative mit weniger Toleranz ist eine Clamping-Schaltung über den Emitter. Diese beeinflusst durch einen Widerstandsteiler die Emitterinduktivität und verringert damit die Überspannung. Grenzen dieses Verfahrens ergeben sich durch Toleranzen und die begrenzten Zugriffsmöglichkeit auf jeden IGBT über die Hilfsemitter bei 17-mm-Modulen.

Von Stromsteilheit abhängige oder geschlossene Regelungen, die das Gate beinhalten, sind eine weitere, sehr effiziente Lösung. Dagegen sprechen bei 17-mm-Modulen jedoch die relativ hohen Hardware-Kosten und die anwendungsbedingten hohen Schaltgeschwindigkeiten. Die dafür notwendige Regelungsgeschwindigkeit übersteigt schnell die Leistungsfähigkeit verfügbarer Komponenten. Dazu kommt, dass eine solche Regelung stark vom restlichen Umrichteraufbau abhängig und damit für eine anwendungsüberschreitende Treiber-Lösung nur bedingt einsetzbar ist.

Eine Besonderheit des 17-mm-Modulaufbaus ist, dass der Kurzschlussstrom eine andere Induktivität durchfließt als beim normalen Ausschaltprozess. In diesem Fall kann die Koppelung in den Ansteuerkreis noch wesentlich stärker ausfallen. Eine toleranzbehaftete Schaltung birgt hier hohes Risiko. Eine gut beherrschbare, sichere und auch kosteneffiziente Lösung ist dafür der Two-Level Turn-Off. Dabei reduziert der IGBT-Treiber die Spannungsänderungszeit durch das Einführen eines zusätzlichen Zwischen-Level der Gate-Spannung. Die zuverlässige Alternative, die der Skyper 12 press-fit nutzt, ist der Soft Off. Dabei schaltet der IGBT-Treiber zu hohe Ströme, die unzulässige Spannungsspitzen auslösen würden, langsamer und sicher über eine separate und hochohmige Treiber-Endstufe aus. Damit ist ein sicherer, verlustarmer Überspannungsschutz für die 17-mm-Module gewährleistet.