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IGBT-Module

Schnell schalten ohne Filter- und Schutzlösungen

2. Juni 2014, 15:05 Uhr | Von Johannes Krapp, Semikron

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Herausforderung IGBT

Die wichtigste Herausforderung der 17-mm-Module bilden die IGBT-Chips selbst. Die neuesten Generationen der verschiedenen Hersteller sind auf Leistungsdichte optimiert. Damit einher gehen oft eine verkürzte Kurzschlussfestigkeit und geringere Margen zwischen Datenblatt und tatsächlichen Grenzwerten. Die Ansteuerelektronik muss sehr schnell und genau Fehler erkennen. Die toleranzbedingte Streuung heutiger Chipchargen in 17-mm-Modulen erzeugt Laufzeitunterschiede bis 50 ns. Für die Treiber-Elektronik bedeutet das ein sehr geringes Toleranzband, um mögliche Überlastungen einzelner Chips durch unsymmetrisches Schalten zu vermeiden. Von den laufzeitbeeinflussenden Filterkonzepten bis zur Gate-Spannung muss jedes Glied der Ansteuerelektronik über den kompletten Temperaturbereich akkurat funktionieren. Viele Treiber-Lösungen scheitern bei diesen Anforderungen aufgrund von Bauteiltoleranzen. Die Mixed-Signal-ASICs des Skyper 12 press-fit arbeiten stabil über den kompletten Temperaturbereich; die Gate-Spannungen sind geregelt. Das Ergebnis ist ein Skew von ±20 ns inkl. aller Filterstrecken über den Temperaturbereich.

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In Abhängigkeit vom IGBT müssen Kurzschlüsse innerhalb von 10 µs sicher abgeschaltet werden. Bestimmte Chiphersteller bieten sogar nur 5 µs Kurzschlussfestigkeit. Das erfordert eine sehr genaue und schnelle Fehlerfassung im Kurzschlussfall. Toleranzbehaftete Erfassungsglieder in Verbindung mit zeitgebenden Filterkomponenten bieten für diesen Fall keinen ausreichenden Schutz. Die Geschwindigkeit der Erfassung wird durch die Bandbreite dargestellt. Die Bandbreite (3 dB) ergibt sich aus der Multiplikation von Kapazität und Widerstand, d.h. um die Geschwindigkeit der Erfassung zu erhöhen, muss die die Kapazität möglichst klein sein. Die Kapazität im Schaltbild steht für die Eingangsschutzbeschaltung. D.h. es gibt die Alternative zwischen langsamer und störsicherer oder schneller und empfindlicher Erfassung. Ein weiterer Aspekt ist die Genauigkeit. Aufgrund des durch die Eingangsschutzbeschaltung entstehenden Leckstroms entsteht ein Offset (Bild 6). Dieser Messfehler kann je nach Bauteilauswahl bis zu 90 V betragen.

Der Skyper 12 press-fit (Bild 7) gibt eine dynamische Referenzspannung aus, mit welcher die Spannung UCE verglichen wird. Die Erfassung erfolgt mit einer schnellen SMD-Diode. Sobald die eingestellte Schwelle überschritten wird, löst die Erfassung aus und der IGBT wird direkt von der Sekundärseite abgeschaltet. Tritt im Fehlerfall keine Entsättigung des IGBT ein, kann durch dieses schnelle Erkennen sicher abgeschaltet werden. Die Auslöseschwelle definiert ein Spannungsteiler; Kurzschlüsse werden schnell und sicher unabhängig von der IGBT-Generation abgeschaltet. Eine sichere Ansteuerung für 17-mm-Module erfordert viele Einzelmaßnahmen. Der Skyper 12 press-fit löst das durch seine digitale Signalverarbeitung mit geringen Toleranzen, integrierten EMV-Maßnahmen und einem akkuraten Fehlermanagement.

Johannes Krapp
studierte an der FH Würzburg-Schweinfurt Wirtschaftsingenieurwesen mit den Schwerpunkten Marketing und Elektrotechnik. Seit 2008 arbeitet er als Produktmanager für Ansteuerelektronik bei der Firma Semikron in Nürnberg.

Der Autor