Tipps für Entwickler
Treiberschaltungen für IGBTs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Lösungsansatz: Bootstrap und Level-Shifter
Eine weitere Lösungsmöglichkeit sind Steuerschaltungen, die selbst das Potenzial entsprechend verschieben und eine geeignete Steuerspannungsversorgung erzeugen. So arbeiten integrierte Lösungen wie die DIP-IPM-Bausteine von Mitsubishi [4]: Bei ihnen reicht eine Versorgungsspannung von 15 V für die komplette Ansteuerung aus, und die galvanische Trennung wird auf die Seite des Mensch-Maschine-Interface verlegt – der Baustein selbst liegt auf Netzpotenzial. Allerdings sind rein kapazitiv arbeitende Level-Shifter leistungsmäßig begrenzt, und die Verdrahtung hat sehr kompakt zu sein, um keine Probleme mit Streukapazitäten zu erzeugen.
Als integriertes DIP-IPM ist dies eine gute Lösung: Mit der neuen DIPIPM+-Serie können Inverter bis zu 5,5 kW realisiert werden. Bei höheren Leistungen stößt diese Schaltung jedoch an ihre Grenzen. Gefährlich für die Leistungsschalter können negative Transienten werden; und zwar dann, wenn keine Schutzbeschaltung – wie in den DIP-IPMs bereits geschehen – vorgesehen ist.
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Übertrager für Signal und Power
Die klassische Methode der galvanischen Trennung ist der Übertrager als induktives Bauelement. Hy-Line Power Components hat beispielsweise die TI-Serie der Impulsübertrager von Sirio sowie die Treiber- und Zündtransformatoren von RÖ-LO im Angebot [5].
Der Vorteil: Neben der Signalübertragung kann auch die notwendige Steuerleistung mit übertragen werden – eine separate Stromversorgung ist nicht erforderlich. Bei Thyristoren wird auf diese klassische Art die gesamte Zündenergie über Trenntransformatoren mit einer hohen Isolationsspannung (3 bis 7 kV) geführt.
Wegen der geringen Bandbreite der Übertrager ist diese Methode jedoch auf kurze Zündimpulse und Frequenzen unter 30 kHz beschränkt. Für IGBTs und MOSFETs, die – wie der Thyristor – spannungs- und nicht stromgesteuert schalten, ist diese Lösung mit zusätzlicher Beschaltung und eben diesen Einschränkungen bei der Taktfrequenz nutzbar.
SCALE-Treiber: Vom Chip bis zur Baugruppe
Eine interessante Lösung für den Leistungsbereich von 5,5 bis 110 kW (400 kW mit Booster-Stufe), Taktfrequenzen bis 250 kHz und Schaltspannungen bis 1.700 V ist der SCALE-iDriver von Power Integrations. Er übernimmt diese Aufgabe an der Stelle, wo die DIP-IPM-Lösungen aufhören; und er nutzt ebenfalls hoch integrierte Technologie. Nur die IGBT-Module sind wegen der höheren Leistung nicht mehr integriert; selbstverständlich hat der bereits erwähnte Distributor geeignete IGBT-Module im Angebot.
Im IC selbst werden die Signale über ein eigenes Protokoll bidirektional galvanisch getrennt übertragen – also sowohl vom Treiber zum IGBT-Modul als auch umgekehrt vom IGBT-Modul zurück zum Treiber, womit die Module perfekt gegen fehlerhafte Betriebsbedingungen geschützt werden können. Entsprechende Verfahren, die Überstrom und Kurzschluss erkennen, sind bereits integriert.
Lediglich zur Spannungsversorgung ist noch ein externer Übertrager erforderlich – die Regelung der Versorgungsspannungen erfolgt wiederum auf dem Chip selbst. Referenzdesigns ermöglichen den schnellen Aufbau von kompletten IGBT-Treibern.
Ist noch mehr Leistung – mit IGBT-Schaltspannungen bis 6.500 V und Schaltströmen bis über 4.000 A – gefragt, so helfen die SCALE2+ Core Driver (Bild 4) von Power Integrations weiter. Diese nutzen ebenfalls hoch integrierte ASICs – nun getrennt für Steuer- und Leistungsseite. Sie können als komplette Baugruppe mit Übertrager leicht an jedes gängige IGBT-Modul angepasst werden.
Hochvolt-Anwendungen über Lichtwellenleiter
An dieser Stelle sind auch galvanisch sicher getrennte Steuerwege über Master-Slave-Treiber und über Lichtwellenleiter möglich. Ebenso gibt es für diese »Härtefälle« bis 6.500 V spannungs- und transientenfeste DC/DC-Wandler von Power Integrations.
Der Distributor Hy-Line Power Components hat für jede Spannungs- und Leistungsklasse eine sichere, hoch integrierte und kostensparende Treiberlösung zu bieten (Bild 5). Die Notwendigkeit einer galvanisch getrennten bidirektionalen Signal- und Leistungsübertragung, die bei vermeintlich einfachen, diskreten Lösungsansätzen zum Kostenfresser und Qualitätsengpass werden kann, ist bei allen vorgestellten Treiberbausteinen elegant, sicher und zuverlässig umgesetzt und dennoch kostengünstig.
Literatur
[1] Dissertation »Ansteuerung von Hochvolt-IGBTs über optimierte Gatestromprofile«: http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn%3Anbn%3Ade%3Ahbz%3A468-20091017
[2] DC/DC-Wandler für Gate-Treiber-Applikationen: www.hy-line.de/gate-drive-dcdc
[3] Isolierende Datenkoppler: www.hy-line.de/datenkoppler
[4] IGBT-Module und -Treiber: www.hy-line.de/igbt
[5] Induktivitäten: www.hy-line.de/indukt
Der Autor
Wolf-Dieter Roth
studierte Nachrichtentechnik an der FH München und ist seit vielen Jahren als Fachjournalist, Buchautor und Ingenieur in der Industrie und in Fachverlagen tätig. Er ist technischer Redakteur bei Hy-Line Power Components.
www.hy-line.de/power
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