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

Autor / Redakteur: Bianca Aichinger * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Treiber schnell schaltender IGBTs in beispielsweise Wechselrichtern oder Motoransteuerungen werden von DC/DC-Wandlern versorgt. Sogenannte IGBT-Wandler sind auf die Treiber optimiert.

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Hochisolierte DC/DC-Wandler in IGBT-Schaltungen: da sie für die Zuverlässigkeit des gesamten Systems eine wichtige Rolle spielen, sollten sie sorgfältig ausgewählt werden
Hochisolierte DC/DC-Wandler in IGBT-Schaltungen: da sie für die Zuverlässigkeit des gesamten Systems eine wichtige Rolle spielen, sollten sie sorgfältig ausgewählt werden
(Bild: RECOM)

IGBTs sind Schlüsselkomponenten in der Leistungselektronik und werden bevorzugt als schnelle Schalter eingesetzt, beispielsweise in Wechselrichtern für die Photovoltaik oder in Ansteuerungen wie Frequenzumrichter für elektrische Antriebe. Versorgt werden deren Treiber durch kleine, hocheffiziente DC/DC-Wandler, die für die Zuverlässigkeit des gesamten Systems eine wichtige Rolle spielen.

Daher ist bei der Auswahl der richtigen Wandler ausreichende Sorgfalt Pflicht. IGBTs können hohe Leistungen nahezu stromlos schalten, etwa in modernen Frequenzumrichtern. Diese sind in Zeiten steigender Strompreise ein effektives Mittel Anlagen in Produktionsstätten so effizient als möglich zu betreiben.

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Die primäre Aufgabe eines Frequenzumrichters ist die Regelung der Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors. Die Frequenz des speisenden Netzes steht in direktem Zusammenhang mit der Drehzahl, sodass sich durch Variieren der Frequenz die Drehzahl des Motors regeln lässt.

Ein Frequenzumrichter besteht im Prinzip aus drei Teilen: dem Gleichrichter, dem Zwischenkreis und dem Wechselrichter (Bild 1). Im Netzgleichrichter wird die Wechselspannung mittels einer ungesteuerten dreiphasigen Brückenschaltung in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt. Diese wird im Zwischenkreiskondensator geglättet und anschließend im Wechselrichter sowohl die Ausgangsspannung und die Ausgangsfrequenz angepasst.

Galvanische Trennung durch die DC/DC-Wandler

Die Hauptkomponenten im Wechselrichter bilden sechs IGBTs, die paarweise auf drei Zweigen angeordnet sind. Diese leiten und sperren die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung je nach Ansteuerung mittels PWM (Pulsbreiten-Modulation).

Zur Ansteuerung der IGBTs sind IGBT-Treiber nötig. Diese sind Teil des Leistungskreises und „floaten“ mit den entsprechenden Spannungspotenzialen. Daher ist eine galvanische Trennung zwingend erforderlich. Beim Steuersignal erfolgt die Potenzialtrennung über Optokoppler, bei der Versorgung übernehmen diese Aufgabe üblicherweise zwei hochisolierte DC/DC-Wandler.

IGBTs sind eine Mischung aus MOSFET am Eingang und bipolaren Transistor am Ausgang. Sie lassen sich nahezu stromlos steuern und haben im durchgeschalteten Zustand einen sehr niedrigen Spannungsabfall auf der Kollektor/Emitter-Strecke.

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.

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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.

Neue IGBT-Wandler für den vielseitigen Einsatz

Um diesen vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden, hat RECOM sieben neue IGBT-Wandler Familien im Sortiment. Alle Typen besitzen die zur Ansteuerung von IGBT-Treibern erforderlichen asymmetrischen Ausgänge mit +15 V und –9 V, bei Eingangsspannungen von 5 V, 12 V oder 24 V. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf eine große Auswahl bei der Isolation gelegt. Beginnend mit 3 kV (RH-xx1509D) bis hinauf zu 6,4 kV (RxxP1509D) bieten diese Wandler die passende Isolationshöhe für jeden Anwendungszweck.

Oftmals ist auch die Einbausituation ein entscheidendes Auswahlkriterium für den DC/DC-Wandler. Darum gibt es die IGBT-Wandler im platzsparenden SIP7-Gehäuse (RP-xx1509D), im universell einsetzbaren DIP14-Gehäuse (RKZ-xx1509D) sowie als DIP24 Miniature (RV-xx1509D) für besonders niedrige Bauhöhen. Diese 1- und 2-W-Module sind nach EN60950-1 zertifiziert und kommen gemäß RoHS2- und REACH-Richtlinie ohne gefährliche Stoffe aus.

* * Bianca Aichinger ist Produktmarketing Manager bei der RECOM Power GmbH in Gmunden, Österreich.

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