IGBT-Treiberschaltungen

Der richtige Kurzschlussschutz erhöht die Sicherheit von Invertern

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Wirkungsvoller Schutz vor Shoot-Through

Wechselrichter von Antriebssteuerungen oder anderen Anwendungen können auch durch unerwünschtes Einschalten der IGBTs beschädigt werden, wobei sowohl die oberen als auch die unteren IGBTs einem Shoot-Through-Strom ausgesetzt sind (Bild 4).

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Die Auswirkungen von Schaltstörungen durch die parasitäre Miller-Kapazität CCG eines IGBT ist eine typische Ursache für ungewolltes Einschalten, das zu einem Shoot-Through führt. Ist der obere IGBT eingeschaltet, kann die Spannung über dem unteren IGBT (Vce) stark ansteigen und einen Strom IS verursachen, der CCG x (dVCG/dt) entspricht und durch den Gate-Widerstand RG zum Ausgang des angeschlossenen Gate-Treiber-ICs fließt.

Dies führt zu einer steigenden Spannung am Gate, die den IGBT einschalten kann. Dieses ungewollte Einschalten lässt sich verhindern, indem der IGBT-Gate-Treiber über eine negative Stromquelle versorgt wird. Damit wird sichergestellt, dass das Gate bei abgeschaltetem IGBT ein negatives Potenzial aufweist.

Die durch die Miller-Kapazität erzeugte Spannung wird dann daran gehindert, zu sehr anzusteigen, um ein Einschalten zu verursachen. Dieser Ansatz kann allerdings die Stromversorgungsarchitektur des Systems verkomplizieren.

Eine kostengünstigere Lösung ist die Verringerung des Gate-Widerstands von der Miller-Kapazität zum Treiberausgang. Dabei kommen ein zusätzlicher Widerstand und eine Diode parallel zum Gate-Widerstand zum Einsatz.

Der Umfang, um den der Widerstand verringert werden kann, ist jedoch begrenzt, und das Verringern des Widerstands kann zu größeren Schaltstörungen führen. Eine Miller-Klemme erzeugt einen vorübergehenden Kurzschluss zwischen dem Gate und Emitter des unteren IGBT, während der obere IGBT eingeschaltet ist. Damit steht ein effektiverer und zuverlässigerer Schutz zur Verfügung.

Der Aufbau eines passenden Schaltkreises mit externen Bauteilen ist jedoch kompliziert und erfordert zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte. Bild 5 zeigt den diskreten Schaltkreis, der für eine Miller-Klemme und Entsättigungserkennung erforderlich ist. Er basiert auf dem isolierten Treiber-Koppler TLP352 und dem Feedback-Optokoppler TLP2309 zur Steuerung einer Wechselrichterphase.

Der Gate-Treiber-Optokoppler TLP5214 von Toshiba zählt zur nächsten Generation intelligenter Gate-Treiber. Er vereinfacht Schutzschaltkreise und spart Platz auf der Leiterplatte ein. Der Baustein bietet alle Funktionen innerhalb des blau dargestellten Blocks in Bild 5, einschließlich Entsättigungserkennung, Miller-Klemme, isolierten Gate-Treiber und Feedback-Koppler.

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