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Bourns neue IGBT-Generation

Spezifikation von IGBTs für Elektromotorsteuerungen

8. Dezember 2023, 7:30 Uhr | Von Wayne Dossey, Bourns und Falko Ladiges, WDI

IGBTs empfehlen sich mit ihren Eigenschaften für heutige Antriebsanwendungen von Elektromotoren, die eine höhere Spannung oder höheren Strom und niedrigere Frequenzen benötigen.

Mit der steigenden Konzentration auf die Betriebseffizienz von Elektromotoren für alle Anwendungen, wächst der Bedarf an hocheffizienten Antrieben. Außerdem gilt es bei der Konstruktion von Motorantrieben, die Gesamtkosten und den Energieverbrauch in diesen Anwendungen möglichst gering zu halten

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Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) sind eine ausgezeichnete Wahl für heutige Antriebsanwendungen von Elektromotoren, die eine höhere Spannung oder höheren Strom und niedrigere Frequenzen benötigen. Da die meisten Motoren mit niedrigeren Frequenzen arbeiten, einen robusten sicheren Betriebsbereich (SOA) und eine hohe Kurzschlussfestigkeit benötigen, und ihre Effizienz maximiert werden soll, sind IGBTs mit Co-Packaged-Dioden bestens geeignet. Diese Faktoren, einschließlich der Strom- und Spitzenspannungsfähigkeiten der IGBTs bestimmen, ob ein bestimmter IGBT die Lastanforderungen des Motors erfüllen kann.

Im folgenden Artikel werden die verschiedenen Vorteile des Einsatzes von IGBTs für Motorsteuerungen im Weiteren genauer behandelt. Es wird erörtert, welche Rolle IGBTs in einem industriellen Motorantriebsdesign spielen, wie Schalt- und Leitfähigkeit die IGBT-Auswahl beeinflussen und wie wichtig es ist, die Kurzschlussfestigkeitszeiten zu verstehen. Dieser Anwendungshinweis zeigt auf, warum die Entwicklung mit fortschrittlichen diskreten IGBTs die Lebensdauer verlängern und den Wirkungsgrad von Antrieben und Elektromotoren in industriellen Anwendungen deutlich erhöhen kann.

Maximierung des Wirkungsgrades bei industriellen Motorantrieben

Ein typischer Motorantrieb besteht aus mehreren Teilen. Abbildung 1 zeigt eine typische Motorantriebsanwendung, die den Strom aus dem Wechselstromnetz nutzt und ihn entsprechend den Benutzereingaben an den Elektromotor anlegt. Ein Gleichrichter zur Leistungsfaktor Korrektur (PFC) wird mit IGBTs realisiert, wie beim Design von unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV).

Dabei besteht die Motorbremsschaltung aus IGBTs, welche die Leistung des Motors ableiten oder die überschüssige Energie zurück zum Wechselstromeingang zurückführen, wenn der Motor anhält und regenerativ bremst. Im laufenden Betrieb wandelt der Motorantriebswechselrichter die in Kondensatoren gespeicherte Gleichspannungsenergie in die AC-Wellenformen mit der angegebenen Spannung und Frequenz, um den Motor mit der gewünschten Drehzahl und dem gewünschten Drehmoment zu steuern.

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Um einen IGBT in den verschiedenen Bereichen der Motorsteuerung unterhalb seiner SOA-Bewertung zu halten, muss die Wärme aus dem Transistorgehäuse abgeführt werden. So zeichnen sich etwa die IGBTs der Bourns BID Serie durch eine verbesserte Wärmeableitung in TO-247 Leistungsgehäusen aus. Diese Gehäuse bieten eine effektive Wärmeableitung für die Verlustleistung aufgrund von Schalttransienten und Vorwärtsleitung im IGBT und FRD.

In einer Motorsteuerungsanwendung müssen die Konstrukteure die systemweiten Auswirkungen der Verlustleistung berücksichtigen, wenn die Umgebungstemperaturen hoch sind und der Luftstrom reduziert oder nicht vorhanden ist. Da Bourns IGBTs für einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt sind, erzeugen sie weniger Wärme, die abgeleitet werden muss. Dies trägt auch zur Reduzierung der Größe und der Kosten bei, sowie zur Vereinfachung des Wärmemanagement-Designs.

Schalt- und Leistungsverhalten

Schalt- und Leitungsverhalten von IGBTs hängen von der Gerätestruktur ab. So trägt die asymmetrische Struktur der IGBTs zur Optimierung der Durchlassverluste und der Schaltgeschwindigkeit in Motorsteuerungsanwendungen bei. Hauptmerkmal dieser Struktur ist die Feldstoppschicht, die durch einen n+-Pufferbereich geschaffen wird, die unterhalb des n–-Driftbereichs und oberhalb der unteren p-dotierten Schicht angeordnet ist. Dieser Pufferbereich dient zur Unterstützung des elektrischen Feldes und ermöglicht einen dünneren n–-Driftbereich, was erheblich zur Verringerung der Leitungsverluste führt.

In Abbildung 2 ist der Gesamtkompromiss zwischen Schaltverlusten (Eoff) und Leitungsverlusten (VCE(sat)) dargestellt. Dies veranschaulicht, dass das Verständnis der Systemanforderungen für Spezifikation des richtigen Bauelements erforderlich ist, um die spezifischen Motorsteuerung-Anforderungen zu erfüllen. Bourns neue Generation von IGBTs verwendet eine fortschrittliche Trench-Gate Field-Stop (TGFS)-Technologie für eine höhere Zelldichte und eine verbesserte VCE(sat)/Eoff Kurvenleistung.

Kurzschluss in der industriellen Umgebung

In einer Motorsteuerungsanwendung kann ein IGBT-Schalter einen Kurzschluss vom Gleichspannungsbus zur Erde (als Durchschussstrom), über eine Motorphase zu einer anderen Phase oder zur Erde führen. Ein IGBT muss in der Lage sein, diesen Fehler für die Zeitspanne zu überstehen, welche die Endanwendung benötigt, um sie zu erkennen. Motoren sind im Allgemeinen in der Lage, sehr hohe Stromstärken für relativ lange Zeiträume zu absorbieren (Millisekunden bis Sekunden).

IGBTs, die häufig für Motorantriebsumrichter spezifiziert sind, haben jedoch typischerweise Kurzschlusswiderstandszeiten in der Größenordnung von Mikrosekunden. Bestimmte Bourns IGBT Modelle weisen eine Kurzschlussfestigkeit von 10µs auf. Motorsteuerungsanwendungen erfordern eine hohe Robustheit und Zuverlässigkeit, da sie unter rauen Bedingungen mit hohen Belastungen an den IGBTs arbeiten, die bekanntermaßen zu vorübergehenden Kurzschlussbedingungen führen können.

IGBTs mit erhöhten Kurzschlussströmen und der erforderlichen reduzierten Kurzschlussfestigkeit im Bereich von 5μs (beispielsweise Bourns Modell BIDNW30N60H3) bilden den Kompromiss für geringere Leitungsverluste und tragen auch zu geringeren Gesamtkosten der Stückliste bei. Erfreulicherweise werden einige der Unterschiede in der Kurzschlussfestigkeit durch bestimmte Fortschritte in der IGBT-Konstruktion und -Gehäusetechnologie ausgeglichen. Höhere Transkonduktanz und ein geringerer Wärmewiderstand führen zu geringeren Leitungsverlusten und einer höheren Anwendungseffizienz. Diese Vorteile für das Design von Motorsteuerungsanwendungen kommen zum Tragen, auch wenn der gewählte IGBT eine geringere Kurzschlusswiderstandszeit hat.