IGBT-Module für Wechselstrommotoren Antrieb leicht gemacht

IGBT-Module bieten bei der Ansteuerung von Wechselstrommotoren vielfältige Vorteile. Inzwischen existieren auch auf diesem Gebiet verschiedene Ansätze, mit denen sich schnell und komfortabel solche Ansteuerungen entwickeln lassen. Dieser Beitrag stellt zwei Arten von Modulen vor und geht näher auf deren Unterschiede ein.

IGBT-Module für Wechselstrommotoren

IGBT-Module bieten bei der Ansteuerung von Wechselstrommotoren vielfältige Vorteile. Inzwischen existieren auch auf diesem Gebiet verschiedene Ansätze, mit denen sich schnell und komfortabel solche Ansteuerungen entwickeln lassen. Dieser Beitrag stellt zwei Arten von Modulen vor und geht näher auf deren Unterschiede ein.

INHALT:
Wann welches Modul einsetzen?
Vorteile des Modulansatzes
Entwicklungshilfe
Autor

Wechselstrommotoren gewinnen aus Kostengründen und wegen ihrer größeren Robustheit auch im kleineren Leistungsbereich an Beliebtheit. In ihrer leider aufwändigeren Ansteuerschaltung entscheiden sich viele Entwickler zugunsten des IGBTs, wenn die Ströme größer werden. Zunehmend finden sich komplette Module, die gegenüber einem diskreten Aufbau dem Anwender einige Vorteile bieten, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird.

Aus dieser Erkenntnis heraus hat Mitsubishi mit »DIPIPM « und »DIP-CIB« zwei Familien kompakter und hoch integrierter Module im Transfer-Mold-Gehäuse entwickelt, die genau auf den Markt der kleineren und mittleren Leistungen zugeschnitten sind. Zusätzlich zu den IGBT-Leistungsschaltern sind in den Modulen weitere Funktionen integriert, welche neben dem Aufwand in der Entwicklung auch die Größe der gesamten Ansteuerung auf ein Minimum reduzieren. Damit stehen kompakte Lösungen für 1200-V-Anwendungen mit Strombedarf zwischen 5 A bis 25 A und für 600-V-Anwendungen mit Strombedarf von 3 A bis 30 A zur Verfügung. In Asien sind diese Module bereits vielfach beispielsweise in Klimaanlagen oder Waschmaschinen im Einsatz.

Für die Module im »Dual Inline Package« (DIP) hat der Hersteller mit »Transfer Mold« einen eigenen Fertigungsprozess eingeführt, bei dem die Leistungsschalter und ICs auf einem Leadframe sitzen (Bild 1). Dieser Leadframe wird mit einem besonderen Kunststoff umhüllt, welcher die Isolationsfestigkeit gewährleistet und gleichzeitig dafür sorgt, dass die an den Leistungsschaltern entstehende Wärme gut an die Gehäuseoberfläche zur Kühlung abgeleitet wird.

Bei der ersten Modulserie steht »IPM« für »Intelligent Power Module«. Diese Modulfamilie beinhaltet neben den Leistungsschaltern auch die Ansteuer-ICs sowie Schutzbeschaltungen (Bild 2). Mit diesem Aufbau findet der Anwender einen leichten Einstieg in die IGBTTechnik, denn das DIP-IPM verfügt über eine integrierte Treiber- und Schutzbeschaltung. Dadurch sind die Treiberschaltung und der Leistungsteil optimal aufeinander abgestimmt und bereits während der Fertigung getestet.

Das Steuersignal kann ein einfacher Controller, ASIC oder direkt ein PC in Form eines PWM-Signals mit 5-VPegel in die Schaltung einspeisen. Bei der Steuerung sind die vom Modul benötigten Totzeiten zu beachten. Außerdem muss die Steuerung auftretende Fehlersignale (ebenfalls mit 5-VPegel) auslesen und verarbeiten können. Im DIP-IPM sind zwei Schutzbeschaltungen integriert: Überwachung auf zu geringe Versorgungsspannung (UVLO, Under Voltage Lockout) sowie auf zu hohen Strom oder Kurzschluss (OCP, Over Current Protection). Diese Schutzbeschaltungen liefern die Fehlersignale und schützen das Modul. Ein ähnlicher Schutz wird auch durch die externen HV-ICs beim DIPCIB gewährleistet. Da ein Steuersignal diesen Schutz immer wieder überschreiben kann, liegt es in der Verantwortung des Anwenders, die Fehlersignale in der Steuerung zu berücksichtigen. Über einen Shunt-Widerstand (Bild 5) lässt sich der Ansprechlevel der Schutzschaltung beim DIPIPM auf den in der Applikation maximal zugelassenen Strom einstellen. Diese Einstellung ist auch in der diskret aufgebauten Beschaltung des DIP-CIB realisierbar.

Für die Module beider Familie stehen mehrere Demo- Boards zur Verfügung, auf denen neben dem Modul die komplette Beschaltung integriert ist. Der Anwender braucht nur noch die Zwischenkreisspannung anzulegen, den Motor anzuschließen, 15 V Versorgungsspannung für den Treiber bereitzustellen und das Steuersignal beispielsweise von seinem Laptop einzuspeisen. Auf den Platinen sind alle nötigen Komponenten enthalten, um die IGBTs anzusteuern und zu schützen. Die Anschlüsse für ihre Versorgungsleitungen sind durch einfache Stecker ausgeführt. Damit steht eine voll funktionstüchtige Leistungselektronik zur Verfügung, mit der Entwickler die Steuerungssoftware testen können. Aus den Erfahrungen mit dem Demo-Board kann dann die Integration der Leistungselektronik in die eigene Platine erfolgen. Parallel können die Softwareentwickler bereits an der Optimierung der Steuerungssoftware arbeiten. Das sollte eine Menge Entwicklungszeit sparen. Laufend aktualisierte Daten über die zur Verfügung stehenden Module und Demo-Boards stehen im Internet zur Verfügung. Dort steht auch zu jedem Board eine ausführliche Applikationsschrift zur Verfügung.

In der Simulationssoftware Melcosim, die kostenlos bei Hy-Line angefordert werden kann, sind alle für die Berechnung erforderlichen Parameter der Module bereits hinterlegt. Nach Eingabe des Modultyps und der anwendungsbezogenen Daten lassen sich die auftretenden Verluste und damit die abzuführende Wärme berechnen. Auf diese Weise kann die Auslegung und Ansteuerung vor dem Aufbau erst mal am PC simuliert und optimiert werden. (rh)