IGBT-Treiberschaltungen

Der richtige Kurzschlussschutz erhöht die Sicherheit von Invertern

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Die sichere Erkennung von Lastfehlern

Bild 1 verdeutlicht eine Situation, in der ein Wechselrichter einen Motor ansteuert und ein Kurzschluss in einem Strang auftritt. Der Fehler umgeht die Motorwicklungen und der Strom durch die beiden leitenden Wechselrichterschalter steigt aufgrund des Kurzschlusses schnell an.

Alternativ kann ein Kurzschluss zwischen einer der Motorwicklungen und Masse zu einem erhöhten Strom durch den IGBT im oberen Zweig führen.

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Ein Überstromschutz lässt sich durch eine Strommessung an wichtigen Punkten im System umsetzen. Damit kann der Wechselrichter-Controller die betroffenen IGBTs abschalten. Stromwandler in den Motorwicklungen und den Wechselrichterzweigen koppeln die Strominformation zurück an den Controller, ohne dafür eine Isolation zu benötigen (Bild 2).

Die Wandler sind jedoch sehr groß und können für heutige Anwendungen zu sperrig sein. Alternativ kann der Controller die Spannung über einen Strommesswiderstand erfassen, der in die Rückleitung des Wechselrichters integriert ist. Obwohl dieser Widerstand sehr klein sein kann, sind sehr hohe I2R-Verluste möglich; eine zusätzliche Isolation ist erforderlich.

Die Entsättigungserkennung bietet eine wirksame und kostengünstige Methode, eine einsetzende IGBT-Überlast festzustellen. Der Baustein kann damit abgeschaltet werden, ohne Schaden zu nehmen. Im Falle eines Kurzschlusses während des Motorbetriebs liegt die gesamte Netzspannung am IGBT, während der Baustein abgeschaltet wird.

Der resultierende Spannungsanstieg, von der Sättigungsspannung bis zur Netzspannung, kann durch die Überwachung der IGBT-Kollektor-Emitter-Spannung (Vce) über eine Diode erfolgen (Bild 3). Dieser Ansatz ist im Vergleich zu einem Stromwandler oder Strommesswiderstand kostengünstig, kompakt und sorgt für weniger Verluste. Hinzu kommt ein schnelles Ansprechverhalten, da die Spannung an einem Punkt in der Nähe des IGBT überwacht wird.

Ein universeller, isolierter Treiber wie der Toshiba TLP352 kann mit einer externen Entsättigungserkennung, bestehend aus einem Komparator und einer Spannungsreferenz zur Überwachung der Sättigungsspannung der Wechselrichter-IGBTs, verwendet werden.

Dieser Schutzschaltkreis erzeugt ein Gate-Signal, das den IGBT sanft abschaltet, wenn sein Vce-Wert über die Referenzspannung steigt. Dieser Treiber benötigt auch einen schnellen Optokoppler wie den TLP2309, um Isolation für Feedback-Fehlersignale zum Wechselrichter-Controller bereitzustellen (Bild 5).

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