IGBT-Treiberschaltungen Der richtige Kurzschlussschutz erhöht die Sicherheit von Invertern

Autor / Redakteur: Matthias Diephaus * / Gerd Kucera

In Wechselrichtern ist der IGBT-Kurzschlussschutz entscheidend. Neue Treiberschaltungen sind bereits damit ausgestattet und helfen, preissensitive Systeme mittlerer Leistung effizienter umzusetzen.

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Bild 1: Überlaststrom kann eine fehlerhafte Verbindung oder Schäden verursachen.
Bild 1: Überlaststrom kann eine fehlerhafte Verbindung oder Schäden verursachen.
(Bild: Toshiba)

Forderungen nach einem höheren Wirkungsgrad und mehr Wirtschaftlichkeit durch Automatisierung in der Industrie sorgen für den Einsatz fortschrittlicher Treiber und Steuerungen in immer mehr kostengünstigen Anwendungen mit mittlerem Leistungsbedarf.

Dazu zählen HVAC-Übertragung, einfache Antriebe und Robotersysteme, Schweißgeräte, Solar- und Windkraftanlagen und energiesparende Geräte.

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Neue intelligente Treiber, die wichtige Funktionen bereits integrieren, anstatt sie auf Modulebene hinzuzufügen, tragen dazu bei, die Systemkosten und die Baugröße zu verringern. Dazu gehört beispielsweise der IGBT-Schutz.

Wechselrichter können verschiedenen Gefahren ausgesetzt sein, bei denen die IGBTs Schaden nehmen. Bei einem Kurzschluss muss der Überstrom erkannt und der Transistor innerhalb der durch den IGBT-Hersteller angegebenen Haltezeit abgeschaltet werden.

Diese Zeitspanne beträgt meist 10 µs. Ein sanftes Abschalten des Bausteins ist wünschenswert, da eine schnelle Änderung des Kollektorstroms eine hohe Kollektor-Emitter-Spannung hervorrufen kann, die den Wert der Durchbruchspannung überschreitet. Fehler, die zu einem Kurzschluss führen, können auch in der Last auftreten.

Dazu zählen z.B. ein Kurzschluss zwischen den Motorphasen, der durch eine falsche Verdrahtung entsteht, oder eine fehlerhafte Isolation der Rotorwicklung. Ein lastseitiger Kurzschluss gegen Masse (Erdschluss) kann auch die IGBTs des Wechselrichters einem schädlichen Kurzschlussstrom aussetzen.

Ein ungewolltes Einschalten eines Wechselrichter-IGBTs aufgrund von Schaltstörungen durch die Miller-Kapazität kann zu einem Shoot-Through und schädlichen Kurzschlussströmen durch die oberen und unteren Bausteine im gleichen Wechselrichterzweig führen.

Diese Fehlermöglichkeiten sind bestens bekannt, und verschiedene Techniken erkennen diese Fehler und schützen IGBTs vor einer Beschädigung. Einige dieser Techniken sind jedoch sehr aufwändig, kompliziert und für die neue Generation integrierter, intelligenter Treiber nicht geeignet.

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).

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.

Schneller Überstromschutz gegen Lastfehler

Die Überstromschutzauslösung durch Lastfehler funktioniert beim Koppler TLP5214 durch Überwachung der IGBT-Spannung Vce am DESAT-Anschluss über die externe Diode DDESAT (Bild 6). Die Entsättigung wird erkannt, wenn VCE(sat) über 6,5 V steigt.

Der Baustein TLP5214 erzeugt dann ein Abschaltsignal an Vout, um den IGBT zu schützen. Gleichzeitig wird über den integrieren 1-Mbps-Optokoppler ein Fehlersignal an den Host-Controller zurückgesendet. Zu beachten ist, dass der TLP5214 die Vout-Abschaltung automatisch (ohne Host-Intervention) in weniger als 700 ns auslöst. Damit steht ein wesentlich schnellerer Schutz bereit als bei einem herkömmlichen isolierten Gate-Treiber.

TLP5214 verfügt über eine integrierte aktive Miller-Klemme, die externe Clamping-Bausteine erübrigt (Bild 6). Der Klemmenanschluss VCLAMP ist mit dem Gate des IGBT verbunden. Schaltet der Optokoppler-Ausgang von High auf Low, fällt die Gate-Spannung unter 3 V und der MOSFET zwischen VCLAMP- und VEE-Anschluss schaltet sich ein. Damit wird die Gate-Emitter-Spannung VEE gehalten, wobei der Miller-Strom über den VCLAMP-Anschluss zum Emitter umgeleitet wird.

Der Spannungsanstieg am Gate wird unterdrückt, ein Einschalten des unteren IGBT wird verhindert und eine Beschädigung durch Shoot-Through-Ströme vermieden. Zusätzlich zu der integrierten Entsättigungserkennung, aktiven Miller-Klemme und einem sanften Abschalten des IGBT bietet der TLP5214 auch eine Abschaltung bei Unterspannung (UVLO; Undervoltage Lockout) und somit zusätzlichen Fehlerschutz.

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Der Baustein basiert auf zwei GaAlAs-Infrarot-LEDs und zwei schnellen ICs mit hoher Verstärkung. Er wird im SO16L-Gehäuse ausgeliefert, das eine Kriechstrecke von mindestens 8 mm bietet und somit Anwendungen unterstützt, die hohe Anforderungen an die Isolation stellen.

Ausblick und Nutzen für die Anwendung

In immer mehr Anwendungen im mittleren Leistungsbereich sind effizientere Treiber für Wechselrichter gefordert. Neue intelligente Treiber bieten Isolation und Schutz, vereinfachen das Design und verringern die Baugröße des Gesamtsystems. Eine sorgfältige Integration ist entscheidend, damit diese Treiber die Isolationsfunktion sowie schnell wirksame Schutzfunktionen in einem kompakten Standardgehäuse bieten können, dass auch die Anforderungen hinsichtlich der Kriech- und Luftstrecke erfüllt.

Das Optokoppler-Portfolio von Toshiba enthält eine umfangreiche Produktlinie von IGBT-Gate-Treibern, die von Typen mit Überstromschutz bis zu konventionellen Treibern mit 6 A Ausgangsstrom reicht.

* Matthias Diephaus ist Senior Manager Discrete Marketing bei Toshiba Electronics Europe, Düsseldorf.

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