LeistungseLektronik

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Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transis-tor) gilt als der Leistungshalbleiter, wel-cher die Vorteile von Bipolar- und Feldef-fekttechnik vereint und die Steuerung auch großer Umrichter simpel werden lässt. Er kann nur mit Spannung gesteuert werden, wie eine Röhre, wie einst die Thy-ratrons – und er lässt sich im Gegensatz zum Thyristor (oder Thyratron) jederzeit wie ein MOSFET abschalten. Die Durchlassspannung eines IGBT bleibt begrenzt, wie beim Bipolartransistor, er hat im eingeschalteten Zustand keine ohmsche Charakteristik, wie ein MOSFET. Doch benötigt er keinen ständigen Steu-erstrom, um durchgeschaltet zu bleiben. Einen MOSFET oder IGBT anzusteuern, er-scheint daher sehr simpel: Es scheint auszu-reichen, mit dem Ausgang der Logikbaustei-ne direkt das Gate des Leistungshalbleiters anzusteuern. Doch funktioniert diese Sim-pel-Technik nicht lange: Bei Störungen fallen einfache Schaltungen aus. Was man an klei-nen Summen bei der Steuerung gespart hat, wird dann in vielfachen Mengen bei zerstör-ten teuren Leistungsbausteinen und den Folgeschäden unkontrolliert freigesetzter hoher Leistungen fällig.

MosFets und igBts brauchen mehr als reine Logikpegel zur steuerungZuverlässigkeit und Effizienz der Leis-tungshalbleiter hängen am Treiber: Schon

geringe Unsauberkeiten beim Umschalten führen zu Verlusten und geringeren Wir-kungsgraden sowie Transienten durch zu hohe oder – schlimmer – zu geringe Tot-zeiten, zu langsamen oder zu schnellen Schaltvorgängen. Bei stärkeren Abwei-chungen der Schaltfenster ist auch mit Beschädigung und Ausfall der Leistungs-halbleiter zu rechnen.Heutige IGBT-Module – vom Einzelbau-stein bis zum Sevenpack – sind komplexe, anwendungsfertige und flexibel steuer-bare Bausteine, die andere Halbleiter-Bauelemente in der Leistungselektronik abgelöst haben und Ströme bis 2,5 kA so-wie Sperrspannungen bis 6,5 kV bei Takt-frequenzen bis zu 200 kHz verarbeiten können. MOSFET-Module erlauben in ähn-

lichen Bauformen noch höhere Arbeitsfre-quenzen.Für das zuverlässige, sichere und effizien-te Schalten des Leistungsmoduls ist die Treiberelektronik entscheidend: Nur Trei-berleistungen, die bis in den zweistelligen Wattbereich zur Verfügung stehen, halten angesichts der umzuladenden Kapazitä-ten des IGBT- oder MOSFET-Gates Um-schaltverluste und Abschaltzeiten im Störfall gering.

Wichtig: schnelles umladen des gates Schaltungen mit Drei-Phasen-Brücken sind besonders auf exakte Ansteuerung angewiesen, wenn Performanceverluste oder gar Schaltfehler vermieden werden sollen, die das teure Modul sowie die

Billiger als selbst entwickelt

Hochintegrierte Bausteine treiben igBts und MosFetsMosFets und igBts gelten als leistungsfrei rein über spannung steuerbare Bauelemente, so wie einst röhren. Doch so einfach ist es nicht: geschwindigkeit und sicherheit sind sehr wichtig – was komplexere treiberschaltungen erforderlich macht.

Dipl. Ing. (FH) Wolf-Dieter Roth studierte Nachrich-tentechnik an der FH München und ist seit vielen Jahren als Fachjour-

nalist, Buchautor und Ingenieur in der Industrie und in Fachverlagen tätig. Er ist technischer Redakteur bei HY-LINE Power Components.

Autor˘

Bild 1: Lateraler Ausfall durch CAF in FR4-Basis-material nach 700 Stunden im Test (85 °C, 86 % rel. Feuchte, 1 500 V DC). (Alle Bilder: Hy-Line Power Components)

Bild 2: Der Concept Halbbrücken- Core-Treiber 1SC2060P mit Planar-Übertragern misst gerade einmal 74 x 44 x 6,5 mm.

Bild 3: Low-Cost Halbbrücken-Dual-Core-Treiber 2SC0107T: Kostet unter 10 € pro Kanal, diskret ist dies nicht zu schaffen.

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angeschlossenen Geräte gefährden könn-ten. Langzeitstabilität ist ebenso wichtig: Iso-lations- und Kriechstrecken, die bei der Montage noch korrekt sind, können infol-ge von Diffusionseffekten langfristig de-gradieren und zu Ausfällen führen. Unter-sucht wurde hier beispielsweise ein bereits seit einigen Jahren untersuchter, Entwick-lern dennoch oft unbekannter Effekt na-mens CAF (Conductive Anodic Filaments), bei dem Kupferionen in FR4-Platinenba-sismaterial aufgrund der Umgebungs-feuchtigkeit entlang den Glasfasern dif-fundieren und so bereits nach einigen 100 Stunden zu Kurzschlüssen führen kön-nen (Bild 1). Auf den ersten Blick kostengünstige Eigen-entwicklungen, die nur die Grundfunkti-onen einer Treiberschaltung bereit stellen, können nicht mit hochintegrierten, intel-ligenten Treibern mithalten, die die mög-lichen Schwachstellen eines Hochleis-tungs-IGBT-Systems kennen und durch rechtzeitigen integrierten Schutz der teu-ren Bauteile mögliche Ausfälle verhin-dern.

Bipolare, schnelle gate-Ansteuerung notwendigEin IGBT wird durch eine positive Span-nung am Gate durchgeschaltet und sperrt ohne Gatespannung bei 0 V. Dies klingt nach einfacher Ansteuerung, beispielswei-se durch den Ausgang eines Logikbau-steins. Doch in einer Halbbrücke kann die Miller-Kapazität des zweiten IGBT dazu führen, dass dieser spontan ebenfalls durchschaltet, wenn der erste IGBT einge-schaltet wird. Die Folge: Ein kurzfristiger Kurzschluss, der mindestens zu massiven Transienten im System führt, wenn nicht gar zu Beschädigung und Ausfall der IGBT-Module. Eine negative Vorspannung eines gesperr-ten Gates ist erforderlich, um dieses un-erwünschte Durchzünden zu verhindern – und schon steigt der Schaltungsauf-wand, insbesondere beim High-Side-IGBT der Brücke: 10 bis 25 kV/µs sind hier für die Schaltflanken gefragt – zusammen mit der Potentialdifferenz ist dies nicht mehr trivial. Ebenso enden die Umladeströme, die für schnelles Schalten erforderlich wer-den, schnell im Ampere-Bereich und die

Treiberleistung damit nicht mehr im Mil-liwatt-, sondern im Wattbereich: Der Trei-ber wird selbst zum Leistungsbauele-ment.Bei Kurzschlüssen ist der IGBT schnell ab-zuschalten. Ein Kriterium hierfür ist die an ihm abfallende Spannung: Liegt sie deut-lich über dem Sättigungswert, so ist der IGBT entsättigt und muss abgeschaltet werden, bevor seine zulässige Verlustleis-tung überschritten ist. Dies funktioniert allerdings nicht so einfach in Multilevel-Systemen – hier muss stattdessen die übergeordnete Steuerung eingreifen und die IGBTs in der korrekten Reihenfolge ab-schalten, um Schäden zu vermeiden. Eben-so sollte der Treiber nur bei korrekt anlie-genden Versorgungsspannungen aktiv werden, um unsaubere Schaltvorgänge zu vermeiden.

spezial-treiber: kostengünstiger als eigenentwicklungDiese Funktionen können natürlich diskret umgesetzt werden, doch wird der Entwick-lungs- und Bauteileaufwand erheblich: Eine auf einem Halbleiter monolithisch integrierte Lösung ist wesentlich effekti-ver und kostengünstiger. Ebenso gibt es neben einfachen IGBT-Modulen auch moderne IPM-Bausteine (Intelligent Power Module) mit eigenen, integrierten Schutzschaltungen, doch bieten diese keine galvanische Trennung und schränken die möglichen Leistungs-daten durch die feste Schutzschaltung ein. Es werden also immer noch diskrete, externe Bauteile notwendig, was Zuver-lässigkeit und Kosten negativ beeinflusst. Zudem ist ein eigenständiges Abschalten des Leistungshalbleiters in Anlagen mit Multilevel-Betrieb nicht sinnvoll bzw. kann diesen und die Anlage sogar zerstö-ren – hier ist eine kontrollierte Ab-schaltsequenz einzuhalten. Es ist daher sinnvoller, Schutzschaltungen gleich in den Treiber zu verlegen.

galvanische trennung: Welches Prinzip?Bei hohen Schaltspannungen ist eine gal-vanische Trennung unumgänglich, die mit Transformatoren, Optokopplern und Licht-wellenleitern umgesetzt werden kann. Lichtwellenleiter haben hierbei den ˘

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Vorteil, für sehr hohe Spannungsdifferen-zen geeignet zu sein und dabei auch das übertragende Kabel-Medium darzustellen. Sie sind die bevorzugte Lösung für die hö-heren Spannungsbereiche bis 6,5 kV und kaskadierte IGBT-Kreise, wie sie beispiels-weise für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) verwendet werden, Lichtwellenleiter sind außerdem sicher gegen hohe Transienten, die bei Transfor-mator- und auch Optokoppler-Lösungen kapazitiv durchkoppeln können. Die Transformator-Lösung ist dagegen schneller (Übertragungszeiten hinab bis in den Nanosekunden-Bereich), langzeit-stabil und deshalb für höherfrequente Schaltungen interessant. Extreme Duty Cycles sind für Transformatoren jedoch ein Problem, ebenso hohe Isolationsspannun-gen von mehreren kV. Gewöhnliche Optokoppler sind dagegen zu langsam und nicht spannungsfest ge-nug für IGBT- und MOSFET-Treiber, spezi-elle schnelle Optokoppler wiederum ver-gleichsweise teuer.

CONCEPT bietet daher, um alle Fälle opti-mal abdecken zu können, IGBT-Treiber mit Transformator- und mit Lichtwellenleiter-Kopplung an. Die Treiber sind für den nor-malen kommerziellen (0 °C bis 70 °C) und den industriellen Temperaturbereich (– 40 °C bis + 85 °C) erhältlich und berück-sichtigen auch Aspekte wie die notwendi-gen Luft- und Kriechstrecken und die dazu notwendigen Teilentladungsprüfungen. Sie haben Verzögerungszeiten von 100 ns und enthalten bereits Transformatoren und Gleichspannungswandler, um IGBTs auf der High-Side korrekt steuern zu kön-nen – nur im extremen Hochvoltbereich über 3,3 kV wird der DC/DC-Wandler in eine externe Baugruppe ausgelagert.

universal oder maßgeschneidert?CONCEPT bietet zwei Sorten von IGBT-Treibern an: Einerseits flexible Universal-module, die „Treiber Cores“, andererseits auf bestimmte IGBT-Module angepasste Baugruppen, die „Plug and Play-Treiber“. Treiber Cores enthalten in Single-, Dual-

und Sixpack-Ausführung alle Standard-Funktionen eines IGBT- oder MOSFET-Treibers, wie galvanische Trennung, DC/DC-Wandler für die Versorgung und Schutzschaltungen für die Leistungshalb-leiter. Sie können vom Anwender mit be-liebigen MOSFETs oder IGBTs über ein Adapterboard gekoppelt werden, sie ver-arbeiten Sperrspannungen von 600 V bis 3,3 kV und liefern Treiberleistungen von 1 bis 20 W pro Kanal, sowie bis zu 500 kHz Schaltfrequenz. Plug-and-Play Treiber sind dagegen be-reits speziell auf bestimmte IGBT-Module der gängigen Hersteller in den Gehäuse-typen EconoDUAL, Econopack, Primepack und IHM/IHV 130 im Spannungsbereich von 1,2 bis 6,5 kV zugeschnitten – auch mechanisch. Sie enthalten bereits eine Active Clamping Schaltung zur Überspan-nungsbegrenzung sowie die passenden Gatewiderstände und müssen nur noch auf das zugehörige IGBT-Modul ge-schraubt werden.

Billiger als selbst entwickeltEigene IGBT-Treiber zu entwickeln er-scheint zunächst finanziell interessanter als der Einkauf eines fertigen Treibermo-duls. Doch die eigenen Lösungen sind im Nachteil gegenüber einer Lösung mit CONCEPT-Treibern: Nicht nur technisch, aufgrund der von CONCEPT verwendeten hochintegrierten spezifischen Halbleiter-Bausteine (monolithische ASICs), sondern auch wegen der schnellen Entwicklungs-zeit und der Tatsache, dass weder in Zu-verlässigkeit noch in Kosten Kompromisse gemacht werden müssen.

Bild 4: Direkte Master-Slave-Parallelschaltung bei optischer Ankopplung erspart Probleme mit mehrfacher optischer Kopplung und daraus resultierenden unterschiedlichen Verzögerungszeiten.

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Zudem rückt ein weiterer Vorteil wieder mehr in den Mittelpunkt, den viele er-fahrene Entwickler aus eigener, leidvoller Erfahrung zu schätzen wissen: Eine Lö-sung, die garantiert 10 Jahre lebt, ohne dass der Anwender sich dem Thema noch mal zuwenden muss, ist wesentlich an-genehmer als eine diskrete Schaltung, die über ihren Lebenszyklus kontinuier-lich betreut und aus Komponenten- Verfügbarkeitsproblemen mehrfach überarbeitet werden muss. Zum Ver-gleich: Eine diskrete Lösung mit dem Funktionsumfang eines CONCEPT Treiber Cores wie dem 2SC0435T benötigt etwa 250-300 Komponenten, während der 2SC0435T mit 44 einfachen Bauteilen auskommt. (sb)

LiteraturHeinz Ruedi, Intelligent interfaces between power and control: Gate

drivers for IGBTs, Siemens Components 1996

Jan Thalheim, Chipset for Flexible and Scalable High-Performance Gate Drivers for 1200V-6500V IGBTs, ISPSD 2008

Sascha Pawel, Wolfgang Ademmer, Gate Drivers for High Performance and Low Cost, Power Electronics Europe 2009

Heinz Ruedi, Treiberplattformen für Industrie und Traktion, ECPE Workshop Nürnberg, 23. Februar 2010

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infoDireCt 424ei1010˘

www.elektronik-industrie.de

Bild 5: Blick auf einen hochinte-grierten ASIC- Baustein in einem Concept- IGBT-Treiber.