Hochisolierte DC/DC-Wandler

Einfluss der DC/DC-Wandler auf die Zuverlässigkeit von IGBT-Treibern

Seite: 2/3

Firmen zum Thema

Die Gate-Kapazität beim Ein- und Ausschalten

So sind IGBTs bestens geeignet, hohe Spannungen und Ströme weitgehend leistungslos zu schalten. Dazu ist es beim Einschalten notwendig, dass die Gate-Kapazität sehr schnell geladen wird. Hierbei fließt kurzzeitig ein beachtlicher Strom. Der Gate-Widerstand RG sorgt hier für die bestmögliche Schaltzeit bei gerade noch tolerierbaren di/dt-Werten. Entsprechend verhält sich die Situation beim Ausschalten. Hier muss die Spannung der Gate-Kapazität rasch abgebaut werden. Dies geschieht durch die Steuerspannung VG–.

Bei der Verwendung einer symmetrischen Versorgung (zum zuverlässigen Einschalten eines IGBTs benötigt man +15 V) wären das –15 V. Doch würde dies durch das schnelle Ausräumen des Gates zu hohen Spannungsspitzen und somit einer massiven Beanspruchung aller Komponenten führen. Daher wird üblicherweise zugunsten der Lebensdauer die Steuerspannung beim Ausschalten reduziert. Als zweckmäßig haben sich –9 V erwiesen, da hierbei das Gate bei vertretbaren dv/dt-Werten noch zuverlässig ausgeräumt wird. In Bild 2 sind die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe dargestellt.

Bildergalerie

Der Entwickler steht somit vor der Wahl: Entweder die platzsparende Variante mit einem Wandler mit einer symmetrischen Versorgung von ±15 V, oder die Versorgung durch zwei separate Wandler mit +15 V bzw. –9 V und den damit verbundenen höheren Kosten. Neu sind sogenannte IGBT-Wandler, die auf die Bedürfnisse der IGBT-Treiber perfekt abgestimmt sind. Eine Besonderheit liegt in den dualen asymmetrischen Ausgängen, die die für die Versorgung der Treiber notwendigen +15 V und –9 V liefern (Bild 3).

Somit ist nur noch ein Wandler nötig, was wertvollen Platz und auch bares Geld spart. Auf den ersten Blick scheint es als wäre in diesem Fall die Isolationsfestigkeit, angesichts von rund 560 V Zwischenkreisspannung, kein großes Thema. Es wird nach einer gängigen Faustformel eine erforderliche Isolationshöhe von mindestens der doppelten Höhe der Zwischenkreisspannung als ausreichend erachtet.

Die doppelte Isolation ist wesentlich sicherer

Aber bedingt durch die hohen Schaltfrequenzen von bis zu 16 kHz und den damit verbundenen steilen Schaltflanken werden diese Werte oft weit überschritten. Da sich diese Schaltflanken jedoch nur im Bereich von µs bewegen, wird die Beeinträchtigung der Isolation nicht sofort erkennbar sein. Doch im Laufe der Zeit kann diese Überbeanspruchung der Isolation zum vorzeitigen Ausfall des Bauteils beziehungsweise der Schaltung führen.

Beim Isolationsgrad, welcher die Art der Isolation beschreibt, spielen die Luft- und Kriechstrecken rund um den Trafo eine wesentliche Rolle. Diese sind üblicherweise für 50 Hz spezifiziert. Bei höheren und außerdem noch wechselnden Frequenzen, wie das in Motoransteuerungen üblich ist, verhalten sich die elektromagnetischen Komponenten und Materialien jedoch anders. Hinzu kommen auch noch parasitäre Schaltungskapazitäten aufgrund der steilen Schaltflanken. Es ist daher sinnvoll, sich nicht auf eine einfache oder funktionale Isolation, bestehend aus Lack um die Trafodrähte, zu verlassen. Die doppelte oder sogenannte Basisisolation, die zusätzlich zu den isolierten Drähten eine weitere Isolationsbarriere aufweist, bietet wesentlich mehr Sicherheit. Daraus ergibt sich die Empfehlung, dass der Wert der Isolationsspannung maßgeblich über dem der zu erwartenden Spannungsspitzen gewählt werden sollte. In Kombination mit einer Basis- oder gar Reinforced-Isolation führt dies zur größtmöglichen Zuverlässigkeit des IGBT-Wandlers.

Allerdings gibt es dabei ein weiteres Hindernis zu überwinden: die unterschiedlichen Angaben in den Datenblättern der verschiedenen Hersteller. Während in manchen Datenblättern die Prüfspannung für „1 Sekunde“ angegeben ist, so ist sie in anderen für „1 Minute“ oder gar „permanent“. Bei längerer Beanspruchung ist logischerweise die entsprechende Prüfspannung niedriger. Um Anwendern einen schnellen Überblick zu geben, stellt RECOM mit seinem Isolation Calculator ein praktisches Tool zur Verfügung. Damit lassen sich schnell und einfach die entsprechenden Vergleichswerte ablesen.

(ID:42512843)