30.08.2010 | Autor / Redakteur: Marco Honsberg, Thomas Radke und Thomas Hürtgen* / Gerd Kucera
Die V1-Serie ist eine neue Baureihe intelligenter Leistungshalbleiter, die mit dem Ziel entwickelt wurde, den Wirkungsgrad von Stromrichtern für Motorantriebe und Stromversorgungen zu erhöhen. Hierzu kommen beispielsweise ein Full-Gate-CSTBT-Chip und ein neuartiger Control-IC zum Einsatz.
Intelligente Power-Module (IPM) haben sich auf dem Markt etabliert, da sie Systementwicklungen mit hohem Integrationsgrad ermöglichen. Treiber und Schutzfunktionen sind bereits im Modul integriert und müssen vom Anwender nicht mehr entwickelt werden.
In den letzten Jahren hat sich die IPM-Technologie hinsichtlich Funktionalität wesentlich weiterentwickelt. Die heutige IPM-Technologie ermöglicht es, Störbeeinflussungen der externen Optokoppler, z.B. durch hohes du/dt beim Schalten, sowie unerwünschte Oszillationen am Optokoppler-Ausgang zu vermeiden. Ferner erlaubt die Einführung der Full-Gate-CSTBT-Chip-Technologie und der Einsatz eines speziell für diese Aufgabe entwickelten Control-ICs, den Trade-Off zwischen IGBT-Verlustleistung und Kurzschluss-SOA (SCSOA) in Richtung niedriger Verluste zu verschieben, ohne Einschränkungen bei der Kurzschlussfestigkeit hinzunehmen.
Die Temperaturmessung auf dem Chip als Bestandteil des IPM-Konzepts stellt den Schutz jedes einzelnen IGBT-Chips sicher, sodass ein heutiges IPM Leistungsmerkmale aufweist, die kaum in eine konventionelle IGBT-Treiberstufe implementiert werden können. Diese vorteilhaften Technologieeigenschaften wurden bereits in den 6in1- und 7in1-IPMs der L1- und S1-Serie für Module bis 150 A (1200 V) und 300 A (600 V) verwendet. In Modulen mit höheren Nennströmen wurde diese moderne Technologie jedoch bisher noch nicht umgesetzt, wobei die neue V1-Serie nun diese Lücke schließt. Die mechanische Kompatibilität zur V-Serie bleibt erhalten.
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| Bild 1: Die kleine Gehäusevariante der V1-Serie |
Das kleinere Gehäuse ist in Leistungsbereichen von 200 bis 450 A bei 1200 V und von 400 bis 600 A bei 600 V verfügbar. Bild 1 zeigt auch das bewährte 5-Pin-Steuerinterface, das sowohl für die P- als auch für N-Seite Verwendung findet. Die Verbindungsstecker sind kompatibel zu früheren 2in1-IPMs und verfügen über quadratische Pins mit 0,63 mm Kantenlänge im 2,54-mm-Raster.
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| Bild 2: Die große Gehäusevariante der V1-Serie |
Bild 2 zeigt die große Gehäusevariante. Ihr Einsatz ist für die 1200-V-Baureihe bis 600 A und für die 600-V-Baureihe bis 900 A vorgesehen.
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| Tabelle 1: Produktpalette der V1-IPM-Serie |
Die Steueranschlüsse und die asymmetrisch angeordneten niederinduktiven Leistungsanschlüsse sind bei beiden Gehäusevarianten zu finden. Tabelle 1 zeigt die Produktpalette der V1-Serie für beide Gehäusevarianten.
Die V1-Serie enthält CSTBT-Chips der 5. Generation. Um die geforderte Stromtragfähigkeit zu erreichen werden CSTBT-Chips parallel geschaltet. Verschiedene Schutzfunktionen wurden in die speziell entwickelten Control-ICs integriert. Dabei wurde das gleiche Schutzkonzept weitergeführt, welches bereits die Vorgänger-IPM-Baureihe (L1-Serie) zuverlässig vor Schädigungen infolge von Überlastfällen oder anderen unnormalen Betriebszuständen geschützt hat.
Die implementierten Schutzfunktionen sind: Schutz bei Unterschreitung der 15-V-Versorgungsspannung (UV), Übertemperaturschutz (OT) und Kurzschlussschutz (SC) auf der Basis der Stromspiegelemitter-Technologie.
Die Besonderheit des Übertemperaturschutzes besteht dahin, dass der OT-Sensor monolitisch in den IGBT-Chip integriert wurde. Hierdurch wird eine deutlich bessere Selektivität beim Ansprechen des OT Schutzes erreicht, verglichen mit der konventionellen Überwachung der Bodenplattentemperatur mit beispielsweise NTC.
Die Stromspiegelemitter-Technologie ist eine Schlüsseltechnologie zur Entlastung des IGBTs im Kurzschlussfall. Während konventionelle Schutzstrategien auf einer Entsättigungsüberwachung des IGBTs basieren, die infolge der Entsättigung zu einer hohen Verlustleistung im IGBT während des Kurzschlusses führen, ermöglicht die Stromspiegelemitter-Technik die Messung eines Anteils des tatsächlich fließenden Kollektorstromes direkt im Chip. Die Ansprechschwelle des Kurzschlussschutzes kann deutlich niedriger als der Entsättigungsstrom gewählt werden, wodurch die im IGBT umgesetzte Verlustleistung im Kurzschlussfall erheblich reduziert wird. Bild 3 zeigt die interne Verschaltung eines solchen IPMs in Stromspiegelemitter-Technologie mit den zugehörigen Shunts.
Die internen Control-ICs eines IPMs werden von einer potenzialfreien 15-V-Gleichspannung versorgt. Unterschreitet die Spannungsversorgung den festgelegten Unterspannungsschwellwert (UVt) werden sämtliche IGBTs bei gleichzeitiger Ausgabe eines Fehlersignals abgeschaltet. Zur Fortsetzung des normalen Betriebs muss die Betriebsspannung zunächst den Unterspannungs-Reset-Pegel wieder überschreiten.
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| Bild 3: Blockdiagramm des internen Aufbaues eines IPMs |
Spannungseinbrüche mit einer Dauer kürzer als die spezifizierte Mindestdauer tdUV (<10 µs) werden ignoriert und haben keinerlei Einfluss auf den Betrieb der Steuerschaltung. Da dieser Unterspannungsschutz ebenfalls während der Anlaufphase und der Ausschaltphase der Spannungsversorgung aktiv ist, muss die übergeordnete Systemsteuerung das Setzen bzw. das Rücksetzen der Fehlerstatusanzeige (tFO) während dieser Betriebszustände erkennen.
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