IGBT-Treiber und Leistungsbrücken Modulare Umrichterentwicklung

Für die meisten Antriebslösungen ist eine vielfältige Auswahl von Umrichtern am Markt verfügbar. Allerdings gibt es auch Fälle, in denen eine kundenspezifische Umrichter-Entwicklung angebracht ist, z.B. bei Leistungstopologien, die von der Standard-Dreiphasenanordnung abweichen. Ein modularer Aufbau basierend auf sicheren Einzelbaugruppen bietet hier Abhilfe.

Bei manchen Anwendungen kann nicht auf Standard-Produkte zurückgegriffen werden. Das ist u.a. bei komplexen Bauraum-, Umwelt- bzw. sonstigen Schnittstellen-Anforderungen der Fall. Dabei entstehen hohe Entwicklungskosten, die oft nur geringen Stückzahlen gegenüber stehen. Um auf den Bedarf an anwendungsspezifischen Antriebslösungen reagieren zu können, hat Maccon Baugruppen zum Aufbau kundenspezifischer Antriebsumrichter basierend auf moderner IGBT-Technologie entwickelt. Bewährte Komponenten erleichtern den Aufbau von kundenspezifischen Umrichtern deutlich, da viele Detailprobleme bereits in anderen Anwendungen gelöst wurden. Im Baukasten sind bisher IGBT-Halbbrückentreiber, luftgekühlte Halbbrücken-Leistungsblöcke, isolierte Zwischenkreis-Spannungssensoren und eine Control Box zum Anschluss von maximal acht Halbbrücken verfügbar.

IGBT-Treiber als Schlüsseltechnologie

IGBT-Treiber sind technisch anspruchsvolle Baugruppen, da sie dicht an den Leistungsbausteinen montiert werden müssen und daher starken elektrischen und magnetischen Störungen ausgesetzt sind. Für die Auswahl eines IGBT-Treibers sind drei Hauptparameter entscheidend:

  • Die maximale Zwischenkreisspannung.
  • Der maximale Treiber-Ausgangsstrom. Dieser bestimmt, wie schnell das Gate des IGBT aufgeladen und damit wie schnell der IGBT geschaltet werden kann. Ein schneller Schaltvorgang erzeugt weniger Schaltverluste, geht jedoch mit höheren elektromagnetischen Störungen einher.
  • Die dynamische Treiber-Leistung pro Kanal. Diese bestimmt, mit welcher maximalen Frequenz die Gate-Ladung geschaltet werden kann. Dies entspricht der maximalen PWM-Frequenz des Umrichters, die der Treiber unterstützt; in vielen Anwendungen werden PWM-Frequenzen bis über 30 kHz benötigt.

Darüber hinaus gibt es weitere Parameter, die gemessen werden sollten. Die Ergebnisse sollten wie folgt sein:

  • Ein Oszillogramm der Gate-Emitter-Spannung sollte besonders im Bereich des Miller-Plateaus nicht zu starke Schwingungen zeigen.
  • Der Ruhestrom des unbelasteten Treibers kann bei angeschlossenen Gate-Widerständen und geöffneter Gate-Leitung mit der Schaltfrequenz deutlich ansteigen, was bei dem hier beschriebenen Treiber jedoch nicht der Fall ist.

Es gibt Treiber am Markt, die – anders als im Datenblatt spezifiziert – bei kleinen Gate-Widerständen und damit bei steilen Spannungsflanken im Umrichter nicht mehr zuverlässig arbeiten. Aufgrund dieses Problems entwickelte Maccon einen eigenen IGBT-Treiber (4 W/15 A) für das Econo-Dual-IGBT-Halbbrückenmodul, der jetzt auch als Standardprodukt verfügbar ist (Bild 1). Das Treibermodul ist bei einer Kriechstrecke von 8 mm für Zwischenkreisspannungen bis 1200 V geeignet und besitzt eine DESAT-Schutzfunktion. Es ist bei Auslieferung funktionstüchtig und die Gate-Widerstände sind vibrationssicher integriert.

Zur direkten Messung der IGBT-Modultemperatur ist das Treibermodul mit einem Trennverstärker zur isolierten Auswertung des IGBT-internen NTC-Widerstands ausgestattet (Bild 2). Diese galvanische Trennung zwischen Modul-NTC und Auswerteelektronik ist wichtig, da im Fehlerfall im IGBT-Modul die Zwischenkreisspannung auf den NTC-Widerstand überschlagen kann. Mit Hilfe der Temperaturmessung kann ein fehlerhafter Auftrag von Wärmeleitpaste zwischen IGBT-Modul und Kühlkörper schnell erkannt werden. Die IGBT-Module von Infineon und Fuji verwenden die gleichen NTC-Elemente und sind daher für die Temperaturmessung kompatibel. Der Temperaturbereich des Treibermoduls reicht bei Derating bis +100 °C Umgebungstemperatur und beträgt bei voller Last und freier Konvektion –40 bis +50 °C. Das Treibermodul bietet die Erweiterungsfunktion zum Anschluss eines externen Phasenstrom-Sensors und eines Lüfters. Der Anschluss aller Treibersignale inklusive der Hilfsspannung und der externen Stromsensor- und Lüfter-Signale erfolgt über ein schmales, 10-poliges Flachbandkabel. So können an der Steuerung mehrere Treiber-Anschlüsse auf einer kleinen Fläche platziert werden. Der Snubber-Kondensator für das IGBT-Modul kann platzsparend mittels Isolierung über dem Treibermodul montiert werden. Dies ermöglicht einen deutlich kompakteren Aufbau des Gesamtgerätes.