Schwerpunkte

Motoransteuerung leicht gemacht

31. Oktober 2007, 08:12 Uhr   |  Vajapeyam Sukumar


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Der richtige IGBT: NPT oder PT?

Etwa 20 Jahre lang war der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) der bevorzugte Leistungsschalter für Motorsteuerungen. IGBTs lassen sich so entwickeln, dass bei einer bestimmten Frequenz die Verluste minimiert sind. Für die Motorsteuerungsbranche bedeutete das, dass man verschiedene IGBT-Serien auf dem Markt anbieten muss – jeweils mit etwa 5 kHz für einige Haushaltsgeräte-Motoren sowie mit etwa 20 kHz für viele industrielle Motoranwendungen. Für spezielle Applikationen außerhalb des Motorenmarktes gab es dann noch Versionen mit noch höheren Frequenzen.

Verbesserungen bei diesen IGBTs hinsichtlich Durchlassspannung und Ausschaltenergie pro Schaltzyklus spielten bei der Entwicklung zuverlässiger und preiswerter Module ebenfalls eine Rolle. Während der letzten fünf Jahre konnte man außer erheblichen Verbesserungen an den Eigenschaften herkömmlicher IGBTs auch eine zunehmende Verbreitung der neueren NPT-IGBTs (Non-Punch- Through) feststellen (Bild 5).

Der NPT-IGBT sieht einem herkömmlichen IGBT, auch PT-IGBT (Punch-Through) genannt, zwar sehr ähnlich, wird aber sehr unterschiedlich hergestellt. Im Gegensatz zum MOSFET oder dem herkömmlichen IGBT verwendet der NPT-IGBT ein leicht dotiertes N-Substrat, das dann die Epitaxie-Region wird. Die Wafer für die NPT-IGBTs erhalten in der Fertigung die P- und die Rückseitenmetallisierungs- Regionen, wie man im unteren Bereich von Bild 5b sehen kann. Sie werden dann umgedreht, und die weiteren Schichten des IGBT können anschließend aufgebracht werden.

NPT-IGBTs sind in der Regel nicht so schnell wie herkömmliche IGBTs und weisen auch keine derart geringe Durchlassspannung Uce(sat) auf. Sie sind aber meistens robuster. Da sie Kurzschlüssen und Überstromsituationen wesentlich länger widerstehen, werden sie bevorzugt in Motorsteuerungen eingesetzt. Eine Untersuchung der Schaltsignalformen der beiden IGBT-Typen zeigt, dass die vom NPTIGBT erzeugten elektromagnetischen Störfelder wesentlich geringer ausfallen als bei PT-IGBTs. Die Abfallzeit des NPTIGBT ist praktisch eine einfache Kurvenflanke. Die Abfallzeit des herkömmlichen IGBT besteht hingegen aus einer Region mit hohem dI/dt, gefolgt von einem langen „Schwanz“, wo der Strom sehr langsam abfällt und die Verluste des Bauelements sehr hoch sind. In der aktiven dI/dt- Region sind die von einem herkömmlichen IGBT erzeugten elektromagnetischen Störsignale sehr stark und können leicht die Steuerschaltung beeinflussen. Dadurch ist es oft erforderlich, die Ansteuerschaltung von den Leistungsschaltern zu isolieren. Ein weiterer Vorteil des NPT-IGBT ist die Tatsache, dass er einen negativen Temperaturkoeffizienten gegenüber Uce(sat) aufweisen kann – was bei der Parallelschaltung von IGBTs von Vorteil ist.

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Bild 5. Punch-Through-IGBT (a) und Non-Punch-Through-IGBT (b) im Vergleich.

Leistungs-MOSFETs als IGBT-Alternative

Zusätzlich zu den IGBTs können herkömmliche oder Superjunction- MOSFETs (Charge-Balance) im gleichen Gehäuse angeordnet werden, sofern Schaltfrequenzen von mehr als 50 kHz gefordert sind. Superjunction- MOSFETs (in der Branche bekannt unter Markenbezeichnungen wie Fairchilds SuperFET) sind durch einen erheblich niedrigeren spezifischen Widerstand Rds(on) gekennzeichnet als Leistungs-MOSFETs. Diese relativ neue MOSFET-Klasse ist seit etwa zehn Jahren auf dem Markt. Sie sind zwar komplizierter und teurer in der Herstellung als herkömmliche MOSFETs, ersetzen jedoch den exponentiellen Anstieg des Rds(on) mit der Durchbruchsspannung durch einen linearen Wert, und sind deshalb besonders attraktiv in Motorantrieben geringer Leistung mit Spannungen von 600 V und höher. Herkömmliche und Superjunction- MOSFETs mit schnellen anti-parallelen Substrat- Dioden werden besonders gerne in Motorsteuerungen mit weniger als 100 W verwendet.

Mikrocontroller und DSPs

Für die Ansteuerung von Motoren stehen heute nicht nur verschiedene preiswerte DSPs, sondern auch Mikrocontroller zur Verfügung, die die komplexen Aufgaben der Ansteuerschaltungen für Haushaltsgerätemotoren bewältigen.

Hinzu kommt, dass die DSPs und Mikrocontroller sich immer mehr ähneln und nunmehr sogar mit spezieller Hardware für die Motoransteuerung ausgerüstet werden.

Erst kürzlich zeigten preiswerte 8-bit-Mikrocontroller, dass sie in der Lage sind, die Vektoransteuerung von Motoren zu übernehmen. Sie wurden speziell für Haushaltsgeräte konzipiert.

Die zahlreichen Verbesserungen an den einzelnen Bestandteilen eines Smart-Power-Moduls (Bild 6) führten neben der Kostensenkung auch zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit und zu einer Sicherheit, die in vielen Fällen die galvanische Isolation per Optokoppler erübrigte. gs

Link:

[1] Homepage von Fairchild Semiconductor: www.fairchildsemi.com

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Bild 6. Schnitt durch ein „Smart Power Modul“.

Vajapeyam Sukumar studierte Elektrotechnik am Indian Institute of Technology in Madras/Indien (BSEE) und an der Virginia Tech in Blacksburg VA, USA (MSEE). Er arbeitet seit fünf Jahren als Applikationsingenieur bei Fairchild Semiconductor in Austin, Texas. Mit Leistungselektronik beschäftigt er sich bereits seit 25 Jahren in verschiedenen Positionen in den Bereichen Entwicklung, Marketing und Applikation, u.a. auch bei Dell Inc., STMicroelectronics und TRW in den USA und Italien.
Vajapeyam.Sukumar@fairchildsemi.com

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Schlüsselfertige „Smart Power Module“ (SPM)

Während der letzten Jahre hat Fairchild Semiconductor zahlreiche SPMBausteine vorgestellt, mit denen die Leistungsschnittstelle zwischen dem Mikrocontroller oder DSP und den Motoren kleiner und leichter entwickelt werden konnte. Weitere wichtige Vorteile der Module gegenüber diskreten Implementierungen sind geringere parasitäre Induktivitäten und eine höhere Zuverlässigkeit aufgrund eines „Schwester“-Chips für alle Schalter innerhalb des Moduls sowie vereinfachte Testmöglichkeiten. Diese SPMs umfassen unter anderem zusätzliche Schutzschaltungen und eine Treiberschaltung, die sich direkt mit „Low- Voltage“-TTL- oder CMOS-Ausgängen verbinden lässt. Weitere Elemente der Module sind: ein Thermistor, der die Sperrschichttemperatur überwacht, Logikschaltungen, die verhindern, dass sowohl die „High-side“ als auch der „Low-side“-Schalter gleichzeitig eingeschaltet werden, eine Totzeit-Steuerung sowie die richtige Signalformungsschaltung für minimale elektromagnetische Störungen (EMV). In einem Modul können die Treiber-ICs so optimiert werden, dass die Leistungsbauelemente mit möglichst gutem EMV-Verhalten und Ansteuerverlusten schalten. Bild 3 zeigt ein populäres dreiphasiges Ansteuermodul aus der Haushaltsgeräteindustrie.

Im Falle höherer Leistungsnenndaten lässt sich der Keramikisolator im Modul gegen einen DBC-Isolator (Direct Bonded Copper) austauschen. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Kupfer-Aluminiumoxid-Kupfer-Sandwich (oder in einigen Fällen Cu-AlNCu), das einen besseren thermischen Widerstand sowie eine höhere Temperaturzyklus- Zuverlässigkeit aufweist.

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Bild 3. Der Baustein FSBS10N60 gehört zu der IGBT-Modulserie mit Nennwerten von 600 V bzw. 3 A bis 30 A, die in einem kompakten, 44 mm × 26,5 mm × 5,5 mm großen Gehäuse mit 2500-VAC-Isolation Platz finden. a) Blockschaltung, b) Layout des Moduls, c

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Bild 3. Der Baustein FSBS10N60 gehört zu der IGBT-Modulserie mit Nennwerten von 600 V bzw. 3 A bis 30 A, die in einem kompakten, 44 mm × 26,5 mm × 5,5 mm großen Gehäuse mit 2500-VAC-Isolation Platz finden. a) Blockschaltung, b) Layout des Moduls, c

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Bild 3. Der Baustein FSBS10N60 gehört zu der IGBT-Modulserie mit Nennwerten von 600 V bzw. 3 A bis 30 A, die in einem kompakten, 44 mm × 26,5 mm × 5,5 mm großen Gehäuse mit 2500-VAC-Isolation Platz finden. a) Blockschaltung, b) Layout des Moduls, c

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1. Motoransteuerung leicht gemacht
2. Der richtige IGBT: NPT oder PT?
3. Hochspannungs- Brückentreiber

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