Optokoppler

IGBT-Treiber in Umrichteranwendungen

21.10.2008 | Autor / Redakteur: Gary Aw* / Andreas Mühlbauer

Optokoppler können die Gates von IGBTs, wie sie in Umrichterschaltungen verwendet werden, direkt ansteuern. In einer korrekt ausgelegten Anwendungsschaltung sorgen sie dafür, dass ein zuverlässiger Betrieb innerhalb sicherer Grenzen der Verlustleistung gewährleistet ist.

In Umrichteranwendungen, beispielsweise für Motortreiber, Notstromversorgungen, Schaltnetzteile, Vorschaltgeräte für Lampen mit hoher Lichtstärke und Induktionsheizungen müssen die Gates von IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit einer stabilen, getasteten Steuerspannung und relativ hohen Strömen angesteuert werden, um eine schnelle Umschaltung zwischen Durchlass- und Sperrzustand zu ermöglichen. Der hohe Strom ist deshalb erforderlich, weil die Kapazität des Bauteils zwischen Gate und Source sowie Gate und Drain in möglichst kurzer Zeit geladen bzw. entladen werden muss.

Gate-Treiberschaltungen müssen die Ströme zum Öffnen bzw. Sperren der IGBT aus der Logikspannung der Steuerschaltung von 3,3 bis 5,0 V erzeugen und gleichzeitig die Hochspannungs-Schaltimpulse und Störsignale von den Niederspannungsschaltungen fernhalten. Spezielle Optokoppler zur Gate-Ansteuerung sind besonders darauf ausgelegt, die Schnittstelle für die Steuersignale zu bilden und eine Anpassung an den Gate-seitigen Ladungs- und Leistungsbedarf der IGBT zu erreichen. In einer korrekt ausgelegten Anwendungsschaltung sorgen sie dafür, dass ein zuverlässiger Betrieb innerhalb sicherer Grenzen der Verlustleistung gewährleistet ist. Die Eigenschaften von Optokopplern zur Gate-Ansteuerung sind:

  • Galvanische Trennung mit hoher Spannungsfestigkeit (verstärkte Isolierung) für Schutz und Sicherheit, die den Anforderungen an die einminütige Spannungsfestigkeit nach UL1577 sowie den Vorgaben für die Dauer-Betriebsspannung nach IEC60747-5-2 entspricht. Es sind Bauformen verfügbar, die den Anforderungen bezüglich räumlicher Trennung, z.B. der Abstände zur Verhinderung von Kriechströmen sowie zu anderen Bauteilen, und den von einigen Standards vorgeschriebenen internen Abständen entsprechen.
  • Extrem hohe Unterdrückung (CMR) von Gleichtaktstörungen (dv/dt) bei hohen Gleichtraktspannungen (VCM) für eine ausgezeichnete Trennwirkung gegenüber Störsignalen.
  • Integrierte IGBT-Schutzfunktionen wie eine aktive Miller-Klemmung, eine Desaturierungserkennung, ein weiches Ausschalten, ein isolierter Rückmeldeausgang für Störungen sowie eine Schutzschaltung gegen Unterspannung (UVLO).
  • Niedrige Laufzeitverzögerungen für die Übertragung hoher Datenraten
  • Der niedrige Betriebsstrom des ICs erleichtert den Aufbau galvanisch getrennter Netzteile mit Bootstrap-Schaltung und die Senkung des Leistungsverbrauchs.
  • Sehr hohe MTTF
  • Kompakte Bauformen, die nur wenig Raum auf der Leiterplatte belegen
  • Einfacher Aufbau mit einem Minimum an externen Bauteilen

Optokoppler für Spitzenströme bis 5 A

Optokoppler zur Gate-Ansteuerung sind nun für Ausgangs-Spitzenströme bis 5 A lieferbar. Durch die Möglichkeit der höheren Ausgangsströme lässt sich eine größere Zahl von Umrichterschaltungen erheblich vereinfachen, indem die zusätzlichen Treiberschaltungen zur Bereitstellung der benötigten Ströme wegfallen können. Optokoppler zur Gate-Ansteuerung mit Ausgangs-Spitzenströmen von 0,6 A können IGBT für ca. 1200 V und 25 A ansteuern. Koppler mit 2,5 A Ausgangs-Spitzenstrom steuern IGBTs für den Betrieb bei bis zu 1200 V und 100 A an. Die Ausführungen mit Spitzenstörmen bis 5 A (z.B. der Avago ACNW3190) können vor IGBT für bis zu 1200 V, 200 A bzw. 600 V bei 300 A eingesetzt werden. Außerdem lassen sich IGBT für kleinere Leistungen dank des höheren Ausgangs-Spitzenstroms von 5 A schneller ansteuern, da die Gate-Kapazität schneller aufgeladen wird.

Bild 1: Typische Anwendungsschaltung eines Netzteils mit einer Ausgangsspannung für Optokoppler zur Gate-Ansteuerung bei IGBT. Die maximale Gate-Treiberspannung im Sperrzustand, VOL, von 0,5 V könnte dazu beitragen, das keine negative Gate-Treiberspannung benötigt wird, um ein zuverlässiges Schalten in den Sperrzustand zu erreichen.
Bild 1: Typische Anwendungsschaltung eines Netzteils mit einer Ausgangsspannung für Optokoppler zur Gate-Ansteuerung bei IGBT. Die maximale Gate-Treiberspannung im Sperrzustand, VOL, von 0,5 V könnte dazu beitragen, das keine negative Gate-Treiberspannung benötigt wird, um ein zuverlässiges Schalten in den Sperrzustand zu erreichen.

Der Optokoppler ACNW3190 zur Gate-Ansteuerung ermöglicht maximale Schaltzeiten (tPLH/tPHL) im Bereich von 500 ns und höher bei maximalen Ausgangsspannungen im LOW-Zustand (VOL) von 0,5 V, wodurch, je nach IGBT, ohne zusätzliche negative Steuerspannung für eine ausreichende Sperrwirkung im Schaltbetrieb gearbeitet werden kann. Bild 1 zeigt eine typische Anwendungsschaltung für ein Netzteil mit einer Ausgangsspannung.

Gate-Widerstand zur Strombegrenzung

Der Wert des Gate-Widerstands (Rg) ist sowohl für den Treiber als auch für den IGBT kritisch. Der Wert von Rg muss so bemessen warden, dass der Gate-Strom soweit beschränkt wird, dass die maximal zulässige Verlustleistung des Optokopplers auch bei Abgabe bzw. Aufnahme des höchstmöglichen Treiberstroms nicht überschritten wird. Beim IGBT beeinflusst der Gate-Widerstand die Spannungsänderung dVCE/dt und die Stromänderung diC/dt während des Ein- bzw. Ausschaltvorgangs. Bei der Auswahl eines IGBT muss der Entwickler darauf achten, auch den geeigneten Optokoppler für die Gate-Ansteuerung zu wählen, da die Nennwerte von Strom und Leistung dieses Treibers letztlich bestimmen, wie schnell der IGBT ein- bzw. ausgeschaltet werden kann.

Bild 2: Typische Anwendungsschaltung eines Netzteils mit zwei Ausgangsspannungen für Optokoppler zur Gate-Ansteuerung bei IGBT. Die negative Gate-Treiberspannung kann erforderlich sein, um bei Hochleistungs-IGBT mit hoher Miller-Kapazität ein zuverlässiges Ausschalten im Schaltbetrieb zu gewährleisten.
Bild 2: Typische Anwendungsschaltung eines Netzteils mit zwei Ausgangsspannungen für Optokoppler zur Gate-Ansteuerung bei IGBT. Die negative Gate-Treiberspannung kann erforderlich sein, um bei Hochleistungs-IGBT mit hoher Miller-Kapazität ein zuverlässiges Ausschalten im Schaltbetrieb zu gewährleisten.

Bei einigen IGBT für höhere Leistungen, die eine höhere Rückwirkungskapazität (Miller-Kapazität) aufweisen, kann weiterhin eine doppelte Spannungsversorgung (Bild 2) erforderlich sein.

Die verfügbaren Isolationsspannungen, Spitzenspannungen, die entsprechenden Sicherheitsspezifikationen und Zulassungen hängen von der jeweiligen Version, Bauform und eventuellen Optionen ab. So hat z.B. der ACNW-3190 für einen Ausgangsstrom von 5 A im 400-mil 8-Pin Dual-Inline-Gehäuse mit optionalen Kühlfahnen die höchste Isolationsspannung von VIORM = 1414 V Spitze nach IEC/ EN/DIN EN60747-5-2. Er ist außerdem nach UL 1577 für eine Isolationsspannung (VISO) von 5000 Veff während einer Minute zugelassen. Die Bauform hat einen minimalen externen Luftspalt (Abstand) von 9,6 mm, einen externen Mindest-Leiterbahnabstand (Kriechströme) von 10,0 mm und interne Mindestabstände von 1,0 mm.

Der Optokoppler ACNW3190 zur Gate-Ansteuerung ist mit einer Schutzschaltung gegen Unterspannung (UVLO) ausgestattet. Diese Einrichtung soll den IGBT bei Störungen schützen, die dazu führen, dass die Betriebsspannung des Optokopplers zur Gate-Ansteuerung (entsprechend der Spannung am voll aufgeladenen Gate des IGBT) unter den Wert absinkt, der erforderlich ist, um den IGBT mit niedrigem Widerstand geöffnet zu halten. Wenn sich der Ausgang im HIGH-Zustand befindet, und die Betriebsspannung unter die Schaltschwelle von VUVLO absinkt (beim ACNW3190 liegt die Schwelle bei 9,5 < VUVLO– < 12,0) geht der Ausgang des Optokopplers mit einer typischen Verzögerung (UVLO-Ausschaltverzögerung) von 0,6 μs in den LOW-Zustand. Wenn sich der Ausgang im LOW-Zustand befindet, und die Betriebsspannung über die Schaltschwelle von VUVLO+ ansteigt (11,0 < VUVLO+ < 13,5) geht der Ausgang des Optokopplers mit einer typischen Verzögerung (UVLO-Einschaltverzögerung) von 0,8 μs in den HIGH-Zustand (LED „EIN“).

Die Ansteuerung von Hochleistungs-IGBT

Ein nicht-invertierender Strompuffer kann zur Erhöhung des Gate-Treiberstroms für den IGBT eingesetzt werden. RB wird so gewählt, dass sich die erforderliche Gate-Impedanz auf der Grundlage des Großsignal-Beta der Treibertransistoren Q1 und Q2 ergibt. Dieser Strompuffer sollte so nah wie möglich beim IGBT angeordnet werden, um die parasitäre Induktivität des Stromkreises zum Laden und Entladen des Gates möglichst gering zu halten. Der Gate-Widerstand Rg zum Einstellen des Spitzenstroms des IGBT wird hinter dem Puffer angeordnet.

*Gary Aw ist Product Manager, Isolation Products Division, bei Avago Technologies.

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