Recom: Know-how aus der Medizinelektronik für die Leistungselektronik nutzen
Wie »reinforced« isolierte DC/DC-Wandler die Zuverlässigkeit von IGBT-Schaltern verbessern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Isolationsbarriere des DC/DC-Wandler im »Stresstest«
IGBT-Schaltungen in der Leistungselektronik sind problematisch, schließlich wird mit sehr steilen Schaltflanken und recht hohen Spannungen »floatend« gearbeitet. Die Schaltsignale stammen von Mikrocontrollern und ähnlicher Logik, deren Betrieb erfolgt mit Spannungspegeln von 3.3 bzw. 5 V und direktem Bezug zur Masse. Sie müssen daher galvanisch komplett von der Leistungsseite getrennt sein. Das geschieht meist »leistungslos« mittels Optokopplern.
Da zur Ansteuerung des IGBT eine hohe Flankensteilheit wichtig ist, um die Schaltverluste gering zu halten, werden spezielle Treiber zwischengeschaltet. Diese »beschleunigen« die Schaltflanken auf Werte von rund 1000 V/µs. Zur Versorgung der Treiber sind Gleichspannungen von +15 V und -9 V erforderlich, die auf hohem Potenzial »floaten« können. Insbesondere für die »High Side«-Treiber bedarf es gut isolierter DC/DC-Wandler. Da ein solcher Wandler kontinuierlich mit 550 VAC »floaten« kann, erscheint auf den ersten Blick eine Isolation von 2 kVDC für 1 sec völlig ausreichend.
Wem allerdings an der Zuverlässigkeit des Systems gelegen ist, sollte sehr viel genauer hinschauen, denn das Thema ist komplex. Die Isolation eines DC/DC-Wandlers und damit vornehmlich die Luft- und Kriechstrecken rund um den Trafo ist bei 50 Hz spezifiziert. IGBT-Treiber arbeiten allerdings aus Gründen der höheren Effizienz meist mit Frequenzen >10 kHz, sodass ein Sicherheitspuffer sinnvoll ist.
Außerdem ist die AC-Spannung kein sanfter Sinus, sondern ein Rechteck mit ausgesprochen steilen Flanken. Die hohe Flankensteilheit reduziert die Schaltverluste, setzt aber die Isolation im DC/DC-Wandler erheblich unter Druck. Denn das extrem hohe dV/dt der Schaltflanken sorgt in Verbindung mit Koppelkapazitäten und weiteren, in der Schaltung zwischen Leiterbahnen und Transformator »verborgenen« Kapazitäten für Spannungsspitzen sehr hoher Amplitude. Für die Berechnung solcher Spitzen gibt es keine Zauberformel. Auch die Messtechnik liefert nur unzuverlässige Resultate. Wird nämlich der Tastkopf eines Oszilloskops angeschlossen, verändern sich die Gegebenheiten. Eine mit 2 kV gemessene Spannungsspitze ist durch den Tastkopf bereits gedämpft und kann in der Realität sehr viel höher sein.
All diese Effekte führen nicht kurzfristig zu einem Versagen der Isolation. Es kann aber im Laufe der Zeit durchaus zu einer Beeinträchtigung kommen, die letztlich zum »Dammbruch« führt. Letzte Sicherheit gibt es keine, nur Erfahrungswerte. Und die besagen, dass die Lebenserwartung einer IGBT-Schaltung um so höher ist, je besser die DC/DC-Wandler isoliert sind. »Besser« bedeutet dabei nicht zwangsläufig »eine höhere Isolationsspannung«, sondern bezieht sich auf das aus der Medizinelektronik bekannte Qualitätsmerkmal der »reinforced« Isolation.
- Wie »reinforced« isolierte DC/DC-Wandler die Zuverlässigkeit von IGBT-Schaltern verbessern
- Isolationsbarriere des DC/DC-Wandler im »Stresstest«
- Über die Unterschiede zwischen Isolation und Isolation
- Breite Produktpalette für IGBT-Applikationen
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
