Tipps für Entwickler Treiberschaltungen für IGBTs

Spezielle Anforderungne an die Treiberschaltung und deren Stromversorgung.
Treiberschaltung für IGBTs und Leistungs-MOSFETs haben spezielle Anforderungen.

IGBTs und MOSFETs sind leicht anzusteuern, weil sie spannungsgesteuerte Bauelemente sind. Doch es gibt einige spezielle Anforderungen an die Treiberschaltung und auch deren Stromversorgung.

MOSFETs und IGBTs erscheinen als ideale Leistungsschalter: Sie werden über ein Gate gesteuert – nur mit Spannung, also leistungsarm. Doch um geringe Verluste zu erreichen, sind kurze Schaltzeiten notwendig. Also muss die Gate-Kapazität schnell umgeladen werden. Hierzu sind dann einige Ampere Strom erforderlich – also ist doch wieder Leistung gefragt.

Direkt aus einer CMOS-Prozessorschaltung heraus kann also ein solcher Leistungsschalter nur theoretisch gesteuert werden; praktisch würde er viel zu langsam umschalten und dabei infolge der hohen Schaltverluste zerstört. Zudem bestünde die Gefahr der Rückwirkung: Transienten würden die Prozessorlogik stören oder gar beschädigen. Als Folge sind dafür spezielle MOSFET- und IGBT-Treiber notwendig.

IGBTs schalten sauberer ab und bleiben auch zuverlässiger abgeschaltet, wenn hierzu nicht nur die positive Einschaltsteuerspannung abgeschaltet und das Gate kurzgeschlossen, sondern auch eine negative Sperrspannung angelegt wird. Dies erfordert allerdings eine bipolare Spannungsversorgung, womit der Bauteileaufwand weiter steigt.

Eine elegante Option sind Treiber in SCALE-Technologie, die mit hochintegrierten ASICs die Leistungshalbleiter und den Rest der Schaltung vor Überlast und Zerstörung schützen. Sie erzeugen die bipolare Spannungsversorgung intern, sodass nur eine unipolare Spannungsversorgung notwendig ist. Zudem enthalten sie ausgedehnte Sicherheitsschaltungen, die bei Überstrom und Kurzschluss eine Entsättigung und Überlastung des Leistungshalbleiters verhindern und Fehlschaltungen (gleichzeitiges Einschalten der beiden Zweige einer Halbbrücke) vermeiden. Mehr hierzu später.

Problem: Hochliegende und wechselnde Potenziale

Ein weiteres prinzipielles Problem liegt jedoch darin, dass IGBT- und MOSFET-Gegentaktbrücken nicht mit Komplementärhalbleitern arbeiten, wie man es von bipolaren Transistor-Endstufen kennen mag. Sie werden zudem nicht um einen gemeinsamen Nullpunkt herum ausgesteuert, was die Schaltungen bei den hohen Arbeitsspannungen unnötig verkomplizieren würde, sondern mit einer niedrigen Spannung zwischen Gate und Source beziehungsweise Emitter. Während dies auf der Low Side trivial klingt, wo alle Source- beziehungsweise Emitter-Anschlüsse auf einem gemeinsamen Bezugspunkt enden, ist es auf der High Side kompliziert: Hier gibt es bei einer Drehstrombrücke für jeden IGBT/MOSFET einen anderen – mit hohen Transienten auf hohem Spannungspegel schwankenden – Bezugspunkt.

Direkt aus einer vorhandenen Niedervolt-Versorgungsspannung können die Treiber der Leistungshalbleiter auf der High Side also nicht betrieben werden. Zudem ist für ihre Ansteuerung eine kapazitätsarme galvanische Trennung notwendig. Und nicht zuletzt können die einzelnen Versorgungsspannungen auch nicht aus einfachen Netzteilen oder DC/DC-Wandlern gewonnen werden – die Transienten verlangen vielmehr nach speziellen, kapazitätsarmen Lösungen, um keine Fehlzündungen der Leistungshalbleiter oder Beschädigungen der Stromversorgung hervorzurufen. Welche Lösungen kommen für derartige Aufgaben in Frage, und welche Bauteile sind hier sinnvoll einzusetzen?

Sechs Treiber, sechs DC/DC-Wandler, zwölf Optokoppler?

Eine an der Bergischen Universität Wuppertal verfasste Dissertation [1] zeigt die zunächst logische Lösung mit jeweils sechs eigenen Treiberstufen, DC/DC-Wandlern sowie galvanischen Isolatoren (symbolisiert als Optokoppler; Bild 1). Letztere sogar doppelt, wenn ein Rückkanal beispielsweise zum Abschalten bei Überlast und Kurzschluss gefragt ist. Das funktioniert, ist aber doch ein ziemlicher Aufwand. Geht es nicht günstiger?

Doch! Auf der Low Side, in der unteren Hälfte der Brücke, ist die Situation relativ unkompliziert. Zwar liegt der Pegel der Steuerung in diesem Fall nahe an der negativen Versorgungsspannung, doch ist dieser statisch und alle drei Zweige können mit einer geringen Spannung, die an der gleichen negativen Versorgungsspannung hängt, gesteuert werden. In der Praxis kommt man mit einer Spannungsversorgung für alle drei Zweige aus – inklusive der drei Steuerschaltungen, die sogar auf die galvanische Trennung verzichten können, wenn die negative Versorgungsspannung als gemeinsamer Masse-Bezugspunkt verwendet wird.

Auf der High Side hingegen gibt es keinen gemeinsamen Bezugspunkt. Hier sitzen die Emitter auf den drei unterschiedlichen und schnell wechselnden Potenzialen L1, L2 und L3 – folglich auch die Steuerspannung. Wichtige Erkenntnis: In der Praxis reichen maximal vier Spannungsversorgungen und nicht – wie zu vermuten – sechs.

Treiberschaltungen benötigen spezielle DC/DC-Wandler

Für die Versorgung der Low Side sind Standard-DC/DC-Wandlermodule (Bild 2) normalerweise ausreichend. Bei der Versorgung der High Side hingegen brächten diese Probleme mit sich: Die schnell wechselnden Potenziale führen über die Kapazität zwischen Eingang und Ausgang des DC/DC-Wandlers zu Fehlsteuerungen – mit der Gefahr von Beschädigung von Leistungsschaltern und DC/DC-Wandlern. Spezielle PHI-CON-DC/DC-Wandler, die auf die Bedürfnisse der Gate-Ansteuerung auf der High Side ausgelegt sind, schaffen Abhilfe: Sie sind transientenfest und kapazitätsarm, isolieren sicher auch 300 V (AC) effektiv und liefern auf Wunsch auch die negative Spannung zum sicheren und schnellen Sperren des IGBTs [2].

In Bild 3 ist der Aufbau einer Treiberschaltung zu sehen, die beispielsweise in intelligenten Power-Modulen (IPM) zum Einsatz kommt. Die notwendige galvanische Trennung sowohl für die Signale (in diesem Fall mit Optokopplern realisiert) als auch die Versorgung (DC/DC-Wandler) sind nicht gezeigt. Ähnliche Schaltungen lassen sich auch außerhalb eines Moduls mit einer diskreten Treiberschaltung mit Optokopplern, Steuerlogik und DC/DC-Wandlern aufbauen. Problematisch wären dabei der hohe Aufwand, die geringe Geschwindigkeit und das Altern der Optokoppler, das in den einzelnen Zweigen unterschiedlich ausfallen kann.

Zudem ist es in der Praxis mit einer reinen Ansteuerung – mit dem klassischen »Treiben« von der Steuerung zum Leistungsschalter – nicht getan: Um Überlast- und Defekt-Zustände zu erkennen, ist auch eine Rückmeldung in die Gegenrichtung erforderlich – und damit im Normalfall eine weitere galvanisch zu trennende Übertragungsstrecke mit einem zweiten Satz isolierender Koppler. Eine Alternative hierfür sind Datenkoppler nach dem GMR-Prinzip [3].