Treiber-Design Schwingverhalten von Treiber und Modul vermeiden

Autor / Redakteur: Stefan Schuler * / Gerd Kucera

Der Kopplung zwischen Treiber und Leistungsmodul wird zu zu wenig Beachtung geschenkt. Viele Probleme lassen sich gerade auf diese Schnittstelle zurückführen. Hierzu einige Überlegungen und Tipps.

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Bild 1: Das Prinzip eines Halbbrücken-Treibers, der für eine galvanischen Trennung von TOP- und BOT-Seite sorgt
Bild 1: Das Prinzip eines Halbbrücken-Treibers, der für eine galvanischen Trennung von TOP- und BOT-Seite sorgt
(Bild: SEMIKRON)

Die vornehmlichste Aufgabe eines Treibers ist es, den nötigen Strom zum Schalten der IGBTs zur Verfügung zu stellen und für eine galvanische Trennung der Eingangssignale zu sorgen. Das zugrunde liegende Prinzip eines Treibers, welcher für eine galvanischen Trennung von TOP- und BOT-Seite mittels z.B. zweier Transformatoren sorgt, ist in Bild 1 dargestellt. Nachgeschaltet ist eine Signalaufbereitung sowie die eigentliche Treiberstufe.

Die Spannungsversorgung stellt neben der typischen Einschaltspannung von +15 V und einer negativen Ausschaltspannung eventuell weitere Spannungen für Logikschaltungen oder Mikrocontroller zur Verfügung. Die Anbindung an das Leistungsmodul wird häufig über empirisch ermittelte Gatevorwiderstände vorgenommen. Dabei wird in einer Reihe von aufwendigen Tests sichergestellt, dass das Modul unter allen erdenklichen Umständen sicher und sauber schaltet.

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Parasitäre Effekte und gekoppelte Schwingkreise

Anhand der elektrischen Kopplung läßt sich ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild (Bild 2) generieren. Es zeigt den schaltenden unteren IGBT (BOT) zusammen mit seinen parasitären Kapazitäten und dem integrierten Vorwiderstand, eine Last LLAST, sowie die Freilaufdiode D im TOP-Zweig. Die parasitären Induktivitäten LD und LE (auch Streuinduktivitäten genannt) sind stellvertretend für Leiterbahnen und Bonddrähte von Diode und IGBT. Treiberseitig sind eine Gegentaktendstufe mit Spannungsversorgung, Gatevorwiderständen und der parasitären Leiterbahninduktivität LS1 zu sehen.

Die Ausgangsspannung UA des Treibers liegt parallel zur eigentlichen Gate-Emitter-Spannung UGE und dem Spannungsfall ULE der parasitären Induktivität im Emitterzweig. Eine Stromänderung des IGBTs bewirkt eine induzierte Spannung ULE gleich LE mal diE/dt. Als Hauptverursacher der parasitären Induktivität werden schnell die Bonddrähte auf der Emitterseite identifiziert.

Als Daumenregel kalkuliert man meist mit 1 nH/mm Bonddrahtlänge. Bei größeren Stromänderungen werden so leicht einige Volt Spannung induziert. Der ohmsche Widerstand kann hingegen guten Gewissens vernachlässigt werden, denn er beträgt größenordnungsmäßig lediglich etwa 5 bis 10 mΩ je Bonddraht, würde im Beispiel folglich bei einem 75-A-Chip einen Spannungsfall deutlich unter 100 mV verursachen.

Betrachtet man Bild 2 etwas genauer, so findet man einen ersten Schwingkreis, welcher aus den Komponenten LS1, LE (zusammengefasst zu LS), sowie der Gate-Emitter-Kapazität CGE besteht. Die Gatevorwiderstände Rg,int und REin/Aus, zusammengefasst zu Rg, bedämpfen diesen Schwingkreis. Dadurch verschiebt sich zum einen die Resonanzkreisfrequenz hin zu kleineren Werten von ω und andererseits vergrößert sich die Resonanzbandbreite bei gleichzeitiger Bedämpfung der Amplitude. Kurz gesagt, vermindert sich die Güte.

Ein zweiter Schwingkreis wird aus den parasitären Komponenten des Zwischenkreises, des betrachteten IGBTs und der parasitären Induktivität LE, dem Bindeglied zum Treiberkreis, gebildet. Schließlich existiert noch ein dritter Schwingkreis, bestehend aus Millerkapazität CGC und der endlichen, aber frequenzbestimmenden Schaltzeit des IGBTs. Somit sind Rückwirkungen auf den Treiber über zwei unterschiedliche Mechanismen möglich: zum einen über die Emitterinduktivität LE, zum anderen über die genannte Millerkapazität. Welcher der beiden genannten Effekte im Einzelfall der Dominierende ist und deshalb zu einer Schwingneigung des Gesamtsystems führt, soll nachfolgend näher betrachtet werden.

Einfluss der Emitterinduktivität und Millerkapazität

Der messbare Einfluss der parasitären Emitterinduktivität beschränkt sich auf große Stromänderungen, wie sie vor allem während eines Schaltvorgangs auftreten. Analysiert man den Einschaltvorgang (Bilder 3 und 4), erkennt man zunächst eine Phase der Gegenkopplung, die in eine Mitkoppelphase übergeht. Dieser Umstand ist der Speicherladung der Diode geschuldet, welche während ihrer Abklingphase eine Mitkopplung verursacht, da der Emitterstrom abnimmt und das di/dt deshalb kurze Zeit negativ ist.

Der Ausschaltvorgang zeichnet sich hingegen durch eine ausschliessliche Phase der Gegenkopplung aus. Der Anteil des Kopplungsgrades wird in beiden Fällen von der zu schaltenden Stromhöhe innerhalb eines Zeitfensters determiniert, wobei im Einschaltvorgang besagte Speicherladung der Freilaufdiode berücksichtigt werden muss. Generell ist die Emittergegenkopplung in vielen Fällen erwünscht, da sie zu einer gewissen Stabilisierung des Gesamtsystems beiträgt, indem sich die effektiven Stromsteilheiten der einzelnen IGBTs untereinander angleichen.

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