Design-Tipp

Bestimmung der besten Kompromisslösung für minimale IGBT-Verluste

16.10.2009 | Autor / Redakteur: Vijay Bolloju, Jun Yang, Elk Kabaker* / Gerd Kucera

Den besten IGBT gibt es nicht. Seine Charakteristika und die Eigenart der Anwendung diktieren gemeinsam den Wirkungsgrad der Applikation.
Den besten IGBT gibt es nicht. Seine Charakteristika und die Eigenart der Anwendung diktieren gemeinsam den Wirkungsgrad der Applikation.

Der direkte Zusammenhang zwischen Systemwirkungsgrad und Spannung VCEon ist zur Berechnung der Leitungsverluste eines IGBT wichtig, jedoch bleiben die Schaltverluste völlig unberücksichtigt. Dieser Beitrag zeigt, wie IGBT-Schaltverluste die Betriebseigenschaft des Wechselrichters beeinflussen und wie sie in der Entwicklungsphase mit in Betracht gezogen werden müssen.

Die IGBT-Verluste in einem Wechselrichter setzen sich aus einer Kombination von Leitungs- und Schaltverlusten zusammen. VCEon trägt zu den Leitungsverlusten bei, während die Schaltenergie ETS eine Komponente der Schaltverluste des Bausteins ist. Bei der Wahl eines IGBT für eine Anwendung müssen die Spezifikationen sowohl der VCEON als auch der Schaltenergie Berücksichtigung finden. IGBTs sind Minoritätsladungsträger und sie enthalten aus diesem Grunde einen Kompromiss zwischen VCEon und ETS.

Ein schneller IGBT hat tendenziell eine geringere ETS auf Kosten eines höheren VCEon und umgekehrt. Um nun den Wirkungsgrad des Wechselrichters auf ein Höchstmaß zu steigern, ist es erforderlich, die IGBT-Kompromisse an den PWM-Schaltfrequenzbereich des Wechselrichters anzupassen.

Im Rahmen der in diesem Beitrag behandelten Analyse werden zwei 1200-V-Trench-IGBTs ausgewertet, von denen der eine auf eine niedrigere VCEon, der andere auf eine niedrigere ETS optimiert ist. Beide Bausteine bieten eine Kurzschlussfestigkeit von mindesten 10 µs. Die Parameter dieser Bausteine sind in der Tabelle zusammengefasst.

Wichtige Betriebskennwerte für den Wechselrichter

Tabelle: Die Parameter von IGBT1 und IGBT2
Tabelle: Die Parameter von IGBT1 und IGBT2

Es sind zwei entscheidende Betriebskennwerte, die bei der Entwicklung eines Wechselrichtersystems für Motorantriebe beurteilt werden sollten. Der erste ist die maximale Strom- oder Leistungsbelastbarkeit. Die meisten Wechselrichtersysteme sind auf die Bereitstellung eines Überlaststroms für einen eingestellten Zeitraum ausgelegt. Der zweite wesentliche Wert, der zu berücksichtigen ist, ist der Wirkungsgrad. Über den Vorteil hinaus, dass weniger Energie verschwendet wird, vermag ein höherer Wirkungsgrad auch die Kosten sowie die Größe des Systems zu reduzieren. Die Größe des Kühlkörpers steht in direktem Zusammenhang mit der Verlustleistung und hängt deshalb vom Wirkungsgrad ab. Darüber hinaus gibt es Vorschriften und Anreize dafür, bestimmten Standards bezüglich der Effizienz zu entsprechen.

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