Hochisolierte DC/DC-Wandler Wie sich die Lebensdauer von IGBT-Schaltungen verlängern lässt

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

IGBTs sind Schlüsselkomponenten in der Leistungselektronik und werden bevorzugt als schnelle Schalter eingesetzt, beispielsweise in Wechselrichtern oder Motorsteuerungen. Versorgt werden deren Treiber über kleine, hocheffiziente DC/DC-Wandler, die für die Zuverlässigkeit des gesamten Systems eine wichtige Rolle spielen. Daher sollte auf die Auswahl der richtigen Wandler ein großes Augenmerk gelegt werden.

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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 aus der Leistungselektronik nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer Eigenschaft hohe Leistungen beinah stromlos schalten zu können, finden sie in zahlreichen Schaltungen Einsatz. So auch in modernen Frequenzumrichtern. Diese sind in Zeiten steigender Strompreise das effektivste Mittel Anlagen in Produktionsstätten so effizient als möglich zu betreiben. Die primäre Aufgabe eines Frequenzumrichters ist die Regelung der Drehzahl eines Drehstromasynchronmotors. Die Frequenz des speisenden Netzes steht in direktem Zusammenhang mit der Drehzahl und so lässt sich durch variieren der Frequenz die Drehzahl des Motors regeln.

Prinzipieller Aufbau eines Frequenzumrichters

Bild 1: Schematische Darstellung eines Frequenzumrichters
Bild 1: Schematische Darstellung eines Frequenzumrichters
(Bild: RECOM)

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.

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).

Zum Ansteuern sind IGBT-Treiber notwendig

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

MOSFET am Eingang und bipolarer Transistor am Ausgang

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. Damit sind IGBTs ideal geeignet, hohe Spannungen und Ströme weitgehend leistungslos zu schalten. Dazu ist es beim Einschalten nötig, dass die Gate-Kapazität so schnell wie möglich geladen wird. Hierbei fließt allerdings kurzzeitig ein beachtlicher Strom. Der Gate-Widerstand RG sorgt hier für die größtmögliche Schaltzeit bei gerade noch tolerierbaren di/dt-Werten.

Anders 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.

Symmetrische oder unsymmetrische Versorgung

Bild 2: Grundprinzip der Ansteuerung eines IGBT. Links sieht man die dazugehörigen Graphen für den Einschalt- bzw. Abschaltzeitpunkt. Der positive Effekt einer geringeren Abschaltspannung auf die dv/dt Belastungen ist klar ersichtlich.
Bild 2: Grundprinzip der Ansteuerung eines IGBT. Links sieht man die dazugehörigen Graphen für den Einschalt- bzw. Abschaltzeitpunkt. Der positive Effekt einer geringeren Abschaltspannung auf die dv/dt Belastungen ist klar ersichtlich.
(Bild: RECOM)

In Bild 2 sind die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe dargestellt. Der Entwickler steht somit vor der Qual 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.

Perfekt auf IGBT-Treiber abgestimmte Treiber

Neu am Markt sind sogenannte IGBT-Wandler. Diese sind auf die Bedürfnisse der IGBT-Treiber perfekt abgestimmt. Die 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.

Bild 3: In der IGBT-Ansteuerstufe (IAS in Bild 1) ist die Trennung in Regel- (blau) und Leistungskreis (rot) erkennbar
Bild 3: In der IGBT-Ansteuerstufe (IAS in Bild 1) ist die Trennung in Regel- (blau) und Leistungskreis (rot) erkennbar
(Bild: RECOM)

Warum die Isolation für die Lebensdauer entscheidend ist

Auf den ersten Blick scheint es als wäre in diesem Fall die Isolationsfestigkeit, angesichts von rund 560 V Zwischenkreisspannung, kein großes Thema. So wird nach einer gängigen Faustformel eine erforderliche Isolationshöhe von mindestens der doppelten Höhe der Zwischenkreisspannung als ausreichend erachtet. Doch 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 µs Bereich 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 führen. Denn wie das alte Sprichwort schon sagt „steter Tropfen höhlt den Stein“.

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