Treiber-Kerne statt diskrete Lösungen
Steuerung von IGBTs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Galvanische Trennung ist Pflicht
Angesichts der hohen Schaltspannungen ist eine galvanische Trennung unumgänglich. Mit Transformatoren, Optokopplern und Lichtwellenleitern ist das möglich. Lichtwellenleiter haben hierbei den Vorteil, nicht nur auch für sehr hohe Spannungsdifferenzen geeignet zu sein, sondern auch gleich das übertragende Kabel-Medium darzustellen. Sie werden daher bevorzugt in höheren Spannungsbereichen bis 6,5 kV und kaskadierten IGBT-Kreisen eingesetzt, wie sie beispielsweise für Hochspannungs-GleichstromÜbertragungen (HGÜ) verwendet werden. Außerdem sind sie vor hohen Transienten sicher, die bei Transformator- und auch Optokoppler-Lösungen kapazitiv durchkoppeln können.
Die Transformator-Lösung ist dagegen schneller – die Übertragungszeiten sinken bis in den Nanosekunden-Bereich –, langzeitstabil und deshalb für höherfrequente Schaltungen interessant. Extreme Duty Cycles sind für Transformatoren jedoch ein Problem; gewöhnliche Optokoppler sind dagegen zu langsam und nicht spannungsfest genug für diese besondere Applikation, spezielle schnelle Optokoppler wiederum vergleichsweise teuer.
Um alle Fälle optimal abdecken zu können, bietet Concept daher zwei Typen von IGBT-Treibern an: mit Transformator- und mit Lichtwellenleiter- Kopplung. Die Treiber sind für den normalen kommerziellen (0 °C bis 70 °C) und den industriellen Temperaturbereich (–40 °C bis +85 °C) erhältlich und berücksichtigen auch Aspekte wie die notwendigen Luftund Kriechstrecken sowie die dazu erforderlichen Teilentladungsprüfungen. Die Verzögerungszeiten betragen 100 ns. Außerdem enthalten die Treiber bereits Transformatoren und Gleichspannungswandler, um IGBTs auf der High-Side korrekt steuern zu können. Nur im extremen Hochvoltbereich über 3,3 kV wird der DC/DCWandler in eine externe Baugruppe ausgelagert.
Standard oder maßgeschneidert?
Es gibt von Concept einerseits flexible Module – die Treiber-Kerne –, andererseits auf bestimmte IGBT-Module angepasste Baugruppen – die Plug-and- Play-Treiber. Die Treiber-Kerne enthalten in den Ausführungen Single, Dual und Sixpack alle Standard-Funktionen eines IGBT- oder MOSFETTreibers, darunter galvanische Trennung, DC/DC-Wandler für die Stromversorgung und Schutzschaltungen für die Leistungshalbleiter. Über ein Adapter-Board können sie vom Anwender mit beliebigen MOSFETs oder IGBTs gekoppelt werden. Die Sperrspannungen liegen zwischen 600 V und 3,3 kV, die Treiberleistung beträgt 1 bis 20 W pro Kanal, und die Schaltfrequenz erreicht bis zu 500 kHz.
Die Scale-Plug-and-Play-Treiber sind dagegen bereits speziell auf bestimmte IGBT-Module der gängigen Hersteller in den Gehäusetypen Econo DUAL, Econopack, Primepack und IHM/IHV 130 im Spannungsbereich von 1,2 bis 6,5 kV zugeschnitten – auch mechanisch. Sie enthalten bereits sowohl eine Active-Clamping-Schaltung zur Überspannungsbegrenzung als auch die passenden Gate-Widerstände und müssen nur noch auf das zugehörige IGBT-Modul geschraubt werden. In Halbbrücken-Schaltungen können die Concept-Treiber auch die notwendigen Totzeiten eigenständig bereitstellen, um eine sichere Funktion der Schaltung zu gewährleisten. Ebenso ist das Parallelschalten von IGBTModulen mit Scale-Treibern wesentlich akkurater möglich als mit Standard- Schaltungen.
Wenn die Steuer-Signale nicht zum Leistungsmodul passen, an dem es betrieben werden soll, kann auch das beste Steuer-Modul versagen. Ein Beispiel ist eine für das Leistungsmodul zu hohe Taktfrequenz: Sie kann u.a. zu einer Beschädigung aufgrund zu hoher Verlustleistung im Leistungsmodul führen. Dies kann auch mit den auf das jeweilige Leistungsmodul zugeschnittenen Scale-Plug-&-Play-Treibern passieren. Deshalb liefert Concept zu den Bausteinen auch jeweils Applikationsschriften mit, in denen z.B. die richtige Dimensionierung der Treiber-Leistung oder die korrekte Montage der Treiber (geringe Leitungsinduktivitäten) beschrieben sind. Hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind essentiell. Kritische Bauteile wie Elektrolytkondensatoren oder Dioden in Glasgehäusen werden daher vermieden.
Eigenentwicklung vs. Zukauf
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Häufig fällt die Entscheidung zwischen der Eigenentwicklung eines IGBT-Treibers und einer zugekauften Fertig-Lösung zuerst auf die kostengünstigere Eigenentwicklung. Doch bei näherer Betrachtung sind die eigenen Entwürfe häufig nicht nur finanziell im Nachteil gegenüber einem zugekauften IGBT-Treiber: Die Concept-Treiber implementieren hochintegrierte Halbleiter-Bausteine (monolithische ASICs) und es werden keine Kompromisse in Sachen Zuverlässigkeit und Kosten eingegangen. Auch eine kürzere Entwicklungszeit spricht für die zugekaufte Variante.
Zudem rückt ein weiterer Vorteil wieder mehr in den Mittelpunkt: Eine Lösung, die garantiert zehn Jahre lebt, ohne dass der Anwender sich dem Thema noch einmal zuwenden muss, ist wesentlich angenehmer als eine diskrete Schaltung, die über ihren Lebenszyklus kontinuierlich betreut und aus Komponenten-Verfügbarkeitsproblemen mehrfach überarbeitet werden muss. Zum Vergleich: Eine diskrete Lösung mit dem Funktionsumfang eines Concept-Treiber-Kerns wie dem 2SC0435T benötigt etwa 250 bis 300 Komponenten, während der 2SC0435T mit 44 Bauteilen auskommt. Selbst Induktivitäten müssen nicht mehr diskret realisiert und mit der Baugruppe verlötet werden: Planar-Übertrager, die IGBTs bis 1700 V Sperrspannung und 3600 A Schaltstrom ansteuern können, werden gleich mit auf die Leiterplatte gedruckt und durch aufgeklebte Ferritkerne komplettiert. Das erhöht die Zuverlässigkeit und ermöglicht eine Dicke von weniger als 7 mm für die gesamte Treiber-Baugruppe (Bild 2).
Dabei erreicht der Halbbrücken-Treiber-Kern 2SC0650P bei Taktfrequenzen bis über 200 kHz mehr als 5 W Treiberleistung pro Kanal mit Spitzen-Gate-Strömen bis zu 50 A. Damit kann dieser Treiber-Baustein sowohl heutige Resonanz-Konverter steuern als auch mögliche zukünftige Silizium-Karbid- und Gallium- Nitrid-Leistungs-Halbleiter. Der Low-Cost-Dual-Treiber 2SC0108T enthält nur 23 Bauelemente, inklusive Transformator und ICs, und kostet bei Stückzahlen von 10 000 Bausteinen 15 Euro, also weniger als 8 Euro pro Kanal. Der Treiber liefert 1 W und 8 A pro Kanal für IGBTModule bis 1200 V und 600 A bzw. 1700 V und 450 A (Bild 1).
Zudem lässt er sich auch in einen speziellen Treiber-Modus für MOSFETs schalten. MOSFET-Module können inzwischen mit Taktfrequenzen bis zu etlichen 100 kHz geschaltet werden, z.B. mit dem Treiber-Baustein 1SC2060P (Bild 3), der in eine dedizierte MOSFET- Betriebsart umgeschaltet werden kann.
Der Vorteil von MOSFETs gegenüber Thyristoren und IGBTs liegt bei kleinen Strömen: Die an ihnen abfallende Spannung wird nur von Einschalt- Widerstand und Strom bestimmt; es gibt keine Minimal-Spannung wie bei den Technologien mit einem p-n-Übergang im Stromkreis. Trotz ihrer geringeren Belastbarkeit haben sie daher ihre festen Einsatzgebiete, z.B. in Solar-Ladegeräten. Hier sind geringe Verzögerungszeiten und Jitter entscheidend, um keine Instabilitäten in Regelkreisen zu erzeugen – der 1SC2060 hat typisch nur 74 ns Verzögerung bei einer Standard-Abweichung (Jitter) unter 1 ns. Diskrete Lösungen haben hier schon aufgrund der Länge der Verbindungsleitungen Probleme mit parasitären Kapazitäten und Induktivitäten.
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