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Gate-Treiber

Isolierfestigkeit gewährleisten

4. Februar 2020, 9:30 Uhr | Dr. Bernhard Strzalkowski, Analog Devices

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Analyse der Chip-Schäden

Trotz unterschiedlicher Schalter und Testbedingungen entstanden an den Treiber-Chips ähnliche Schäden. Bild 7 zeigt die Schädigung eines P-Mosfets, basierend auf der ausgangsseitigen Treiberstufe in Test 8 (Tabelle 1). Bei einer Spannung von 750 V explodierte der IGBT beim Test, und auch die leistungsbegrenzenden Bauteile R_g und D_Z. Es ist jedoch nur ein kleiner geschmolzener Bereich nahe des Bonddrahtes von Pin V_DDA sichtbar. Der Gate-Überstrom während der Zerstörungsphase floss über die innere Diode des P-Mosfets in den 100-µF-Kondensator. Wegen der Stromanhäufung schmolz der Bereich nahe des Bonddrahtes. Es wurde keine weitere Beschädigung des Treiber-Chips oder der Isolierung des Steuer-Chips beobachtet.

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Bild 9 zeigt die während Test 9 geschmolzenen Bereiche, bei dem eine hohe Spannung von 150 V direkt an den Treiber-Chip angelegt wurde. Die elektrische Isolierung des Steuer-Chips verkraftete diese extreme Überbelastung.

Der Extremfall auf der Primärseite ist das Anlegen einer zu hohen Versorgungsspannung an den Steuer-Chip. Deshalb wurde in Test 11 eine Versorgungsspannung von 15 V an den V_DD1-Pin angelegt (Bild 5), was die absolute maximale Auslegung von 7,0 V signifikant überschritt. Das Foto in Bild 10 zeigt geschmolzene Bereiche in der Nähe des V_DD1-Anschlusses.

Zusammenfassung

Zerstörende Prüfungen von Leistungsschaltern beeinträchtigen die Isolierfestigkeit der integrierten Gate-Treiber ADuM4223 und ADuM3223 nicht. Selbst als der Treiber zerstört wurde, traten nur lokale und eingeschränkte geschmolzene Bereiche auf. Die überschüssige Energie floss über die PMOS-Treiber-Transistoren in die Blockkondensatoren. Deswegen traten die geschmolzenen Bereiche auch nur in dieser PMOS-Region auf.

Die Chip-Anordnung des ADuM4223 bzw. ADuM3223 verhindert, dass sich geschmolzene Bereiche von der Ausgangsseite über die galvanisch isolierten Signaltransformatoren auf den Steuer-Chip ausbreitet. Um die Energie zu begrenzen, die in den Treiberausgang fließt, eignet sich eine Zener-Diode. Dieses Bauteil in Kombination mit einem entsprechenden Gate-Widerstand kann den Gate-Treiber schützen, wenn der Leistungsschalters zerstört wird. Der Gate-Widerstand wiederum lässt sich so auslegen, dass er während des regulären Betriebs die Verlustleistung managt und bei Zerstörung der Leistungsschalter wie eine Schmelzsicherung den Treiber abtrennt.

Im Extremfall, als wir die an den Ausgangs-Chip gelieferte Energie nicht begrenzten, traten lokal geschmolzene Bereiche in der Nähe des Ausgangspins des Treibers auf. Allerdings beeinträchtigten diese Tests die Isolationsfestigkeit nicht. Beim Extremfall auf der Primärseite, bei dem die Versorgungsspannung massiv über die absolut maximale Auslegung anstieg, war ein begrenzter geschmolzener Bereich um den Stromversorgungspin zu erkennen. Doch auch in diesem Fall gab es kein Anzeichen, dass die Isolierung Schaden genommen hat.

Ein nachträglich durchgeführter Isolationstest mit hoher Spannung belegte jeweils die Festigkeit der elektrischen Mikroisolation. Eine entsprechende Chip-Konstruktion sowie auch die Chip-Anordnung im Treibergehäuse verhinderte, dass sich die zerstörenden Energie in die Hochspannungsisolierung der Mikrotrafos ausbreitete.

REFERENZEN

[1] B. Chen, B. Strzalkowski, Isolated Gate Driver Using Microtransformers, ECPE Workshop »Electronics Around the Power Switches«, June 29, 2011.

[2] A. Volke, M. Hornkamp, and B. Strzalkowski, IGBT/Mosfet Applications Based on Coreless Transformer Driver IC 2ED020I12-F, Proceedings of PCIM 2004, Nuremberg, 2004.

[3] Kevin Gingerich, Chris Sterzik, The ISO72x Family of High Speed Digital Isolator, Application Report SLLA198, Texas Instruments.

[4] B. Strzalkowski, High Performance IGBT-Driver in Microtransformer Technology Providing Outstanding Insulation Capability, Proceedings of PCIM 2007, Nuremberg, 2007.

[5] B. Strzalkowski, Maximum Power Limit for Withstand Insulation Capability of IGBT/Mosfet Gate Drivers, Proceedings of PCIM 2014, Nuremberg, 2014.