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Wie die Streuinduktivität Leistungshalbleiter behindert

19.06.17 | Autor / Redakteur: Reinhold Bayerer * / Gerd Kucera

Bild 1: Chopper-Schaltung mit unterem IGBT oberer Freilaufdiode als Teil einer Halbbrücke; die Streuinduktivität, rot eingekreist, ist Teil des Kommutierungskreises; die induktive Last ist zwischen Phasenausgang und dem Pluspol der Zwischenkreisquelle VDC angeschlossen.
Bild 1: Chopper-Schaltung mit unterem IGBT oberer Freilaufdiode als Teil einer Halbbrücke; die Streuinduktivität, rot eingekreist, ist Teil des Kommutierungskreises; die induktive Last ist zwischen Phasenausgang und dem Pluspol der Zwischenkreisquelle VDC angeschlossen. (Bild: Infineon)

Streuinduktivität erzeugt Überspannungen beim Abschalten und begrenzt die Schaltgeschwindigkeit. Es ist eine maximale Stromsteilheit einzuhalten, um Sperrspannungsgrenzen nicht zu überschreiten.

Bipolare Leistungshalbleiter, z.B. IGBT und Freilaufdioden, ändern unter hoher Streuinduktivität ihr Schaltverhalten hin zu nachteiligen Stromformen. In Parallelschaltungen von Leistungshalbleitern bewirkt schon sehr geringe Streuinduktivität eine Fehlaufteilung des Stromes, wenn sie die Steuerspannung beeinflusst. All diese Effekte mindern die Ausnutzbarkeit Leistungshalbleitern. Die Änderung der Schalteigenschaften und der Einfluss auf Parallelschaltungen sollen hier genauer beleuchtet werden.

Ein Hauptvertreter einer leistungselektronischen Schaltung ist der Umrichter, wie er in Motorantireben verwendet wird. Die Halbbrücke ist darin ein Phasenbaustein und dient als Gegenstand der Betrachtung. Die Schaltvorgänge führen zur Kommutierung des Stroms von Schaltern zu Dioden und zurück. Dieses Verhalten kann an einer weiter vereinfachten Schaltung nach Bild 1 untersucht werden.

Untersuchung der Auswirkung auf Schalteigenschaften

Zur Untersuchung der Sperrverzögerung der Diode (Bild 1) wird zunächst der IGBT eingeschaltet, um die Lastinduktivität mit Strom zu beladen. Nach Abschalten des IGBT entsteht der Freilauf des Laststromes über die Diode. Schaltet der IGBT erneut ein, kommt es zu der fraglichen Kommutierung des Stromes von der Diode zurück zum IGBT und die Sperrverzögerung der Diode äußert sich in einer Rückstromspitze.

Der IGBT kontrolliert den Schaltvorgang, solange keine oder nur geringe Streuinduktivität LS im Zwischenkreis enthalten ist. Sobald die Steuerspannung des IGBT die Schwellspannung erreicht, beginnt der Strom im IGBT zu steigen und in der Diode zu fallen (Bild 2). Die Steigung des Stromes (di/dt) ist durch den Verlauf der Steuerspannung am IGBT bestimmt. Der Strom steigt bis zur Rückstromspitze, die von der Sperrverzögerung der Diode herrührt, an.

Die Spannung an dem IGBT beginnt zu diesem Zeitpunkt zu fallen und an der Diode zu steigen. Wiederum kontrolliert der IGBT als Folge der Form seiner Steuerspannung den Verlauf der Spannung am IGBT und an der Diode. Nach Ende der Rückstromspitze kehrt der Strom im IGBT auf den Wert des Laststromes zurück und die Spannung am IGBT sinkt auf das Durchlassniveau (VCEsat). Die Spannung an der Diode verläuft komplementär zu der Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT.

Die Spannung an der Diode überschreitet zu keiner Zeit die Gleichspannung VDC im Zwischenkreis. Die Diode sieht während der Sperrverzögerungszeit, in der Rückstrom fließt, Spannungen unterhalb von VDC. Unter solchen Bedingungen, die bei geringer Streuinduktivität gegeben sind, ist es nicht schwer, Dioden mit sanftem Abklingen des Rückwärtsstromes zu konstruieren und herzustellen (siehe schwarze Kurven in Bild 2).

Die Kurven von Spannung und Strom an IGBT und Diode ändern sich dramatisch, wenn hohe Steuinduktivität hinzukommt. Zunächst entsteht während des Stromanstiegs im IGBT ein Spannungsabfall an der Streuinduktivität, der sich als Einbruch in der Spannung am IGBT widerspiegelt. Trotz des Spannungseinbruchs am IGBT bleibt der Stromanstieg vom IGBT über seine Steuerspannung gesteuert.

Der Spannungseinbruch wirkt allerdings über die Kollektor-Gate-Kapazität des IGBT zurück auf die Gatespannung, sodass durch die Streuinduktivität ein verlangsamter Stromanstieg entsteht. Sobald die Rückstromspitze erreicht ist, kehrt di/dt um und die Streuinduktivität induziert eine Überspannung an der Diode, weil die Diode den Stromfall verursacht. In diesem Zeitraum wird nun typischerweise die Zwischenkreisspannung VDC an der Diode überschritten.

Somit erfährt die Diode eine völlig veränderte Spannungsbelastung zu einem Zeitbereich, während dem noch Rückstrom durch die Diode fließt. Die geänderte Spannungsform an der Diode bewirkt eine geänderte Stromform. Die Rückstromspitze verbreitert sich und der Stromschweif verschwindet. Auf diese Weise entsteht aus einem sanften Abschaltvorgang ein Stromabriss – ein Snap-off des Rückwärtsstromes durch die Diode.

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