Gate-Treiber Isolierfestigkeit gewährleisten

Bei Umrichtern und Leistungswandlern steigt die Leistungsdichte stetig. Deshalb sind hochintegrierte, isolierte und robuste Gate-Treiber nötig. Im Folgenden untersuchen wir, wie widerstandsfähig die Isolation eines solchen Treibers ist, indem wir den Leistungsschalter absichtlich zerstören.

Bei extrem zuverlässigen Hochleistungsanwendungen, beispielsweise bei elektrischen oder hybriden Fahrzeugen, müssen isolierte Gate-Treiber sicherstellen, dass die Isolationsbarriere unter allen Umstanden intakt bleibt. Diese Treiber haben geringe Ausmaße, weil die elektrische Isolierung bereits in den Chip integriert ist. Diese galvanische Trennung lässt sich mit integrierten Hochspannungs-Mikrotransformatoren oder -kondensatoren erzielen [1–3]. Ein unvorhersehbarer Systemfehler kann dazu führen, dass die Leistungsschalter zerstört werden.

Fällt ein Mosfet oder IGBT aus, entlädt sich im Extremfall der Zwischenkreiskondensator (DC Link) eines Umrichters mit mehreren Tausend Mikrofarad rapide. Die damit verbundene Energie zerstört den Leistungsschalter, dessen Gehäuse explodiert und es tritt Plasma aus [4]. Wegen der extrem hohen Leistungsdichte sollten die Treiber-ICs so konstruiert sein, dass die elektrische Isolierung intakt bleibt, auch wenn der Treiberchip selbst ausfällt. Deshalb ist es nötig, die Zuverlässigkeit der Isolierung sorgfältig zu prüfen und zu validieren – im Extremfall sogar durch Zerstören der Leistungsschalter.

Aufbau des Gate-Treibers

Die Isolierung auf Chip-Ebene nutzt planare Mikrotransformatoren, um die elek-trische Isolationsbarriere zu realisieren. Sie wird während der Fertigung mit speziellen Techniken auf Wafer-Ebene gebaut und in einer Halbleiterkomponente mit geringen Ausmaßen konfiguriert [1]. Ein iCoupler-Kanal im Gate-Treiber ADuM3223 von Analog Devices besteht aus zwei inte-grierten Schaltungen (ICs) kombiniert mit Chip-Scale-Transformatoren (Bild 1). Eine Isolierlage bildet die Isolationsbarriere, um die oben und unten liegenden Wicklungen eines jeden Trafos zu separieren. Digitale Isolatoren nutzen eine minimal 20 µm dicke Isolierlage aus Polyimid zwischen den planaren Trafowicklungen, die Bestandteil der Wafer-Fertigung sind (Bild 2). Durch diesen Herstellungsprozess lassen sich die Isolierelemente kostengünstig und mit exzellenter Qualität und Zuverlässigkeit in jeden beliebigen Halbleiter-Fertigungsprozess integrieren.

Ein geteilter Leadframe im Gehäuse vervollständigt die Isolierung. Ist der Ausgangs-Chip eines Gate-Treibers aufgrund der Explosion eines Leistungsschalters zerstört, muss sichergestellt sein, dass die Isolierlage intakt bleibt. Dies lässt sich durch verschiedene Maßnahmen implementieren:

  • sauberes Dimensionieren der externen Schaltung, um den Energiefluss in den Gate-Treiber zu begrenzen,
  • geeignete Platzierung der Ausgangstransistoren auf dem Treiber-Chip,
  • geeignete Platzierung der Mikrotrafos auf dem Chip,
  • geeignete Anordnung des Steuer- und Treiber-Chips innerhalb des Gehäuses.

Die interne Anordnung des Gate-Treibers ADuM3223 (Bild 1) zeigt ein Beispiel, wie sich die einzelnen Chips anordnen lassen, um einen Durchbruch der elektrischen Isolierlage bei extremer elektrischer Belastung zu verhindern.

Eine Testschaltung mit zwei Spannungspegeln von 385 V und 750 V wurde gebaut, um die Einsatzbedingungen des Leistungsumrichters im realen Einsatz zu emulieren. Eine Spannung von 385 V ist besonders üblich in einem System, das eine Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) an einem 110-V- beziehungsweise 230-V-Netz benötigt. Eine Spannung von 750 V wiederum ist typisch für sehr leistungsstarke Umrichter, wie sie beispielsweise bei industriellen Antrieben eingesetzt werden und Schalter mit einer Durchbruchspannung von 1200 V verwenden.

In der zerstörenden Prüfung ließen wir ein Zweig des Umrichters, der aus einem Leistungsschalter und einem entsprechenden Treiber besteht, solange eingeschaltet, bis der Schalter ausfiel. Währenddessen zeichneten wir die Signalform auf, um die Energie zu bestimmen, die in den Gate-Treiber floss. Wir untersuchten mehrere Schutzmaßnahmen, um die zerstörende Energie in den Gate-Treiber zu begrenzen. Außerdem testeten wir verschiedene IGBTs und Mosfets.