EMI-Störungen minimieren So kommutieren Wechselrichter

Jedes Mal, wenn Leistungshalbleiter ein- oder ausschalten, erzeugen sie elektromagnetischen Störungen. Ein einfaches Schaltermodell zur Analyse des Ein- und Ausschaltverhaltens eines MOSFETs oder IGBTs minimiert zusammen mit einer Schaltungsoptimierung die Funkstörungen in Wechselrichtern.

Von Cesare Bocchiola, Director IGBT Applications, Andrea Gorgerino, Application Manager Automotive IC & Power Conversion Applications, und Yannick Maurice, Senior Applications Engineer, alle bei International Rectifier.

Verstehen Entwickler besser, wie elektromagnetische Emissionen infolge der Kommutierung von Leistungsschaltern entstehen, können sie auch bessere Systeme wie zum Beispiel elektrische Antriebe entwerfen. Mithilfe einiger grundsätzlicher Annahmen lässt sich ein einfaches mathematisches Modell entwickeln, welches das Verhalten von Spannung und Strom im Transistor beim Ein- und Ausschalten beschreibt und das nach einer Umwandlung die zugehörigen EMI-Spektren (Electro-Magnetic Interference) aufzeigt. Im Anschluss lassen sich die Auswirkungen der Veränderung unterschiedlicher Kommutierungsparameter analysieren, um die effektiven Maßnahmen zu erkennen, mit denen die unerwünschte EMI reduziert werden kann, die auf die Leistungsstufe des Wechselrichters zurückzuführen ist.

Bild 1 zeigt die typischen Wellenformen beim Ein- und Abschalten des Schalters in einem einfachen Abwärtswandler. Dieser steht stellvertretend für Topologien, wie sie in Applikationen zur Leistungswandlung – einschließlich Halbbrücken von elektrischen Antrieben – in großem Umfang eingesetzt werden. Die Wellenform in Bild 1 setzt sich aus mehreren unterschiedlichen Bereichen zusammen (von links nach rechts): 

  • UCE im Falle eines IGBTs (UDS im Falle eines MOSFETs) nimmt zu, wobei du/dt durch Gate-Netzwerk und Bausteinkapazitäten definiert wird.
  • IC (ID) nimmt ab; di/dt ist bausteintypisch und lässt sich aus der tfall im Datenblatt ableiten.
  • IC,tail (nur bei IGBTs) kann durch verschiedene Funktionen abgebildet werden und ist von der Technologie des Bausteins abhängig.
  • IC (ID) nimmt zu; di/dt wird durch Gate-Netzwerk und Bausteinparameter definiert.
  • IC (ID) steigt bis zu ILoad + Irm (Dioden-Recovery); die Erholungszeit der Diode wird auf Grundlage eines Modells mit mittlerer Injektion abgebildet.
  • UCE (UDS) nimmt ab, wobei du/dt durch Gate-Netzwerk und Bausteinkapazitäten definiert wird.
  • IC (ID) nimmt bis zu Iload ab. Dies wird durch eine Exponentialfunktion bei einem Verhalten abgebildet, das durch die Rekombinationszeitkonstante der Minoritätsladungsträger bestimmt wird.

Das Ein- und Ausschaltverhalten kann sowohl in Bezug auf Spannung als auch auf Strom abgebildet werden. Das Basismodell ist recht einfach und lässt sich sowohl auf MOSFETs als auch auf IGBTs anwenden. Im speziellen Fall des IGBTs muss der Stromschweif (Tail) beim Abschalten hinzugefügt werden.

Die Spannungsgleichungen beim Einschalten und Ausschalten sind verhältnismäßig unkompliziert (Gleichungen (1) und (2)); das du/dt beim Ein- und Ausschalten ist das jeweilige Minimum jeweils zweier Funktionen.

(1) d u divided by d t left parenthesis o n right parenthesis : equals m i n open parentheses I subscript L over C subscript o s s end subscript comma I subscript G a t e comma o n end subscript over C subscript r s s end subscript close parentheses

(2) d u divided by d t left parenthesis o f f right parenthesis : equals m i n open parentheses I subscript L over C subscript o s s end subscript comma I subscript G a t e comma o f f end subscript over C subscript r s s end subscript close parentheses

Dabei werden Coss (Ausgangskapazität) und Crss  Rückwirkungskapazität) direkt dem Datenblatt des Bausteins entnommen, IL ist der Laststrom und IGate,on und IGate,off werden in den Stromgleichungen (3) und (4) definiert.

(3) I subscript G a t e comma o n end subscript equals fraction numerator U subscript G E end subscript minus U subscript t h end subscript over denominator R subscript G comma o n end subscript end fraction

(4) I subscript g a t e comma o f f end subscript equals fraction numerator U subscript G E end subscript minus U subscript t h end subscript over denominator R subscript G comma o f f end subscript end fraction

Dabei ist Uth die im Datenblatt spezifizierte Schwellenspannung (die Verwendung des festgelegten Minimalwerts erlaubt eine Worst-Case-Analyse).

Die Ableitung einer Gleichung für di/dt beim Einschalten erfordert eine sorgfältigere Betrachtung. Sie könnte einfach annähernd als IL/trise bestimmt werden, wobei trise im Datenblatt aufgeführt ist. Allerdings spezifiziert das Datenblatt trise bei einem spezifischen Wert des Gate-Widerstands RG. Um das EMI-Verhaltens der Schaltung sauber analysieren zu können, muss das Modell jedoch die Einstellung von RG erlauben, um den Wert di/dt (on) zu verändern.