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Applikation und Preis sind entscheidende Faktoren - Polyscope

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www.polyscope.ch
Sicherer Schutz bedingt schnelle Fehlererkennung
Applikation und Preis sind
entscheidende Faktoren
Ein sicherer Schutz gegen unzulässige Betriebszustände von Leistungselektronik erfolgt durch eine
schnelle Fehlererkennung und eine effektive Schutzmassnahme. Das Fehler-Management kann
durch die Systemsteuerung oder durch IGBT-Treiber erfolgen. Es gibt auf dem Markt diverse
Treiberschutzkonzepte, die sich betreffend Anwendbarkeit, Effizienz und Sicherheit unterscheiden.
» Johannes Krapp
Der Controller der Systemsteuerung ist für
die Reaktion auf langsame Fehlerzustände, wie z. B. Übertemperaturen, geeignet.
Die Treiberelektronik ist für die Detektion
und Reaktion bei schnellen Fehlern nötig.
Schnelle Fehler in Stromrichtersystemen
sind der Kurzschluss und schaltungsbedingte Überspannungen. Der schnellste Fehlerfall ist der Kurzschluss. Während der Inbetriebnahme sind häufig Anschluss- oder
Isolationsfehler der Grund für Kurzschlüsse.
Im Serieneinsatz können defekte Bauteile
eine Ursache sein.
Treiberelektronik kann
den Kurzschluss erfassen
Entsteht ein Kurzschluss in der Last oder dem
Brückenzweig, steigt der Kollektorstrom im
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sehr
steil an und der Transistor entsättigt sich. Die
heutigen IGBT-Module sind für eine kurze
Zeit kurzschlussfest. Damit die thermische
Belastung den Transistor nicht zerstört, muss
man den Kurzschluss innerhalb dieser Zeit
erkennen und sicher abschalten. Die Treiberelektronik kann den Kurzschluss durch eine
di/dt-Messung oder VCE-Monitoring erfassen.
Beim di/dt-Verfahren (Bild 1) erfasst die
Treiberelektronik die Stromänderungsgeschwindigkeit im IGBT. Der Spannungsabfall
an der Streuinduktivität zwischen Hilfs- und
Lastemitter ist proportional zur Änderungsgeschwindigkeit (di/dt) des Kollektorstroms.
Durch Vergleich der Spannungen mit einer
Referenzspannung lässt sich ein schneller
Kurzschluss erkennen. Für die Überwachung
von langsamen Kurzschlüssen kommen bei
diesem Verfahren die ohmschen
Komponenten der Bonddrähte
und interner Verschienungen
zwischen Last- und Hilfsemitter
zum Einsatz. Dieses Verfahren
hängt jedoch auch von der Verschraubung der Lastanschlüsse
ab. Diese weisen eine gewisse
Streuung in der Kontaktwiderstandscharakteristik auf und
sind in Reihe zu den restlichen
ohmschen Komponenten zu
berücksichtigen. Das erfordert
eine genaue Anpassung auf das
jeweilige System. Generell kann
man die di/dt-Messung nur bei
IGBT-Modulen mit Hilfsemitterausgang anwenden.
Bild 1: Prinzipschaltbild di/dt-Erfassung
Einfache Anwendbarkeit
auf jeden Standard-IGBT
Die VCEsat-Überwachung (Bild 2)
nutzt den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom und Durchlassspannung. Dazu wird die
Kollektor-Emitter-Spannung erfasst und von einem Komparator mit einem dynamischen Bild 2: Prinzipschaltbild VCE-Erfassung
Referenzwert verglichen. Überschreitet die erfasste Spannung
den Referenzwert, schaltet die TreiberelektroErfolgt der Kurzschluss in Verbindung
nik den Transistor ab. Wegen des schnellen mit hoher Induktivität, z. B. auf der LastseiSpannungsanstiegs des Transistors können te, steigt der Kollektorstrom langsamer an.
Kurzschlüsse sehr gut mit der VCE-Methode In diesem Fall muss die VCE-Schwelle enterfasst werden. Vorteil der VCE-Überwachung sprechend angepasst werden. Ein Ansatz,
sind die schnelle Erkennung und die einfache die VCE-Erfassung für die ÜberstrommesAnwendbarkeit auf jeden Standard-IGBT.
sung zu optimieren, ist die mehrstufige
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VCE-Messung. Dabei werden mehrere Auslöseschwellen mit jeweiligen Referenzzeiten
definiert. Nachteil sind die sehr aufwendige
Abstimmung der einzelnen Stufen auf das
jeweilige System und die Temperaturabhängigkeit. Generell lässt sich die Detektion
langsamer Überströme effektiver und sicherer direkt im System mittels vorhandener
Stromsensoren realisieren.
Leistungsmodule direkt durch den
Treiber ausschalten lassen
Neben der schnellen Erkennung ist eine
effektive und sichere Reaktion im Kurzschlussfall notwendig. Werden die Treiber
in Multilevel-Anwendungen oder in Antrieben für Synchronmotoren eingesetzt, sollte
die zentrale Steuereinheit die Abschaltung
des Systems übernehmen. Der Treiber sendet in diesem Fall nur das isolierte Fehlersignal an den Controller und wartet auf
dessen Instruktionen. Schaltet der Treiber
beispielsweise in Multilevel-Anwendungen
direkt den Leistungshalbleiter ab und sendet
dann das Signal zum Controller, kann während der Übertragungs- und Reaktionszeit
die komplette Zwischenkreisspannung auf
einem IGBT anliegen. Das hätte die Zerstörung des Moduls zur Folge.
In den meisten Anwendungen ist es jedoch sicherer, die Leistungsmodule direkt
durch den Treiber ausschalten zu lassen. Der
Treiber kann schneller reagieren, da er keine
Signaldurchlaufzeit abwarten muss, sondern
selbstständig von der Sekundärseite abschalten kann. Die Vermeidung von Spannungsspitzen beim Abschalten von Kurzschlussströmen gewährleisten die Treiber durch eine
Soft-Off- oder Two-Level-Turn-Off-Funktion.
Dabei schaltet der Treiber die IGBT mit grösseren Gate-Widerständen langsamer aus und
schützt das Modul vor Überschreitung der
Safe Operating Area (SOA).
Schaltungsbedingte Überspannungen
muss man erkennen und reduzieren
Der zweite schnelle Fehlerfall resultiert
aus schaltungsbedingten Überspannungen.
Überspannungen, die beim Abschalten entstehen, muss man schnell erkennen und
reduzieren, damit das IGBT-Modul keinen
Schaden nimmt. Die Schaltüberspannungen entstehen durch Streuinduktivitäten
im Leistungskreis, z. B. durch die Verschie-
Autor
Johannes Krapp, Produktmanager
Treiberelektronik, Semikron
nung. Extern induzierte Überspannungen
sind langsam und lassen sich effektiver
durch eine Zwischenkreisspannungs-Überwachung beherrschen.
Die Treiberelektronik kann mittels Active
Clamping bei Überspannungen direkt eingreifen oder durch intelligente Schaltparametrierung, den IntelliOff, die Schaltspitzen
reduzieren. Active Clamping schaltet den
IGBT wieder ein, sobald eine Überspannung
entsteht. Prinzipiell regelt ein Zener-Element
zwischen Kollektor und Gate das Wiederaufladen des Gates, um die Überspannung zu reduzieren (Bild 3).
Dabei entspricht die Überspannung maximal der Spannung der Zener-Beschaltung.
Der Transistor schaltet wieder im sicheren
Bereich, setzt jedoch die in L k gespeicherte
Energie in Wärme um. Im IGBT entsteht bei
diesem Verfahren innerhalb kurzer Zeit eine
erhebliche zusätzliche Verlustleistung. Diese Verluste beschleunigen die Alterung der
Bauelemente und beschränken die Zuverlässigkeit des Stromrichtersystems.
Der Miller-Effekt hält die Gate-EmitterSpannung auf einem festen Niveau
Eine präventive Möglichkeit zur Überspannungsvermeidung ist das IntelliOff-Verfahren. Es erlaubt einen optimierten Ausschaltvorgang, der die Vorteile von einer
möglichst zeitnahen Reaktion des Schalters
und einem langsamen Ausschaltprozess
vereint. Der Ausschaltvorgang wird beim
IntelliOff durch eine unterschiedlich schnelle Gate-Entladung optimiert. Der Treiber
startet zu Beginn so schnell wie möglich den
Ausschaltprozess des IGBT. Sobald der Ausschaltvorgang in die Phase der Überspannung kommt, verlangsamt der Treiber den
Ausschaltvorgang und agiert dadurch proaktiv gegen die Überspannungen. Abschliessend schaltet der IGBT-Treiber das Modul sicher aus (Bild 4).
Sobald das Ausschaltsignal kommt, generiert der Treiber die negative Gate-Spannung.
Der Entladungsprozess der Gate-Kollektorund -Emitter-Kapazitäten beginnt und der
Gate-Strom erreicht seine negative Spitze
(Periode 0). Der Miller-Effekt, welcher das
Entgegenwirken der Gate-Kapazitäten gegen
den Ausschaltprozess beschreibt, hält die
Gate-Emitter-Spannung für eine bestimmte
Zeit auf einem festen Niveau (Periode 1). IntelliOff verkürzt diese Entladungszeit durch
einen niederohmigen Ausschaltwiderstand
und erlaubt eine Beschleunigung des Vorgangs. Während der Periode 2 verlangsamt
ein hochohmiger Widerstand den Schaltprozess und reduziert damit präventiv die
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schaltungsinduzierte Überspannung (Periode 2). Ohne IntelliOff
kann in dieser Phase eine Überspannung entstehen, welche bei
Active Clamping zusätzliche Verluste erzeugt und ohne Schutzmassnahme die Zerstörung des
Moduls bedeuten kann. Nach
Überschreitung der kritischen
Überspannungsperiode, schaltet
der Treiber mit IntelliOff-Funktion die Ausschaltwiderstände
wieder parallel und gewährleistet damit ein sicheres und effizientes Ausschalten des IGBT.
Die einfache Abstimmung erreicht man durch eine einstellbare Zeitkonstante zwischen
hoch- und niederohmigen Ausschaltwiderständen.
Besonders die neuen IGBTGenerationen haben eine sehr
schnelle und harte Schaltcharakteristik. Die IntelliOff-Funktion
kann schnellere Schaltvorgänge
ohne gefährliche Überspannungen realisieren und dadurch die
Leistungsfähigkeit neuer Module optimal unterstützen. Alternative Schutzkonzepte reagieren dabei durch Drosselung der
Leistungsfähigkeit des IGBT-Moduls und produzieren dadurch
zusätzliche Verluste.
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Bild 3: Prinzipschaltbild Active Clamping
Fazit
Das ideale Schutzkonzept von
Gate-Treibern ist abhängig von
der jeweiligen Applikation.
Generell sollte man die Fehler- Bild 4: IntelliOff als proaktive Massnahme gegen
quellen bereits bei der System- Überspannungen
dimensionierung identifizieren
und bewerten. Eine permanente
Kompensation von unzulässigem System- absichern. Das kann unerwartete Kosten
verhalten durch die Gate-Treiber ist nicht erzeugen, da man die Treiberabsicherung
effizient und verringert die Zuverlässigkeit. oft unterschätzt. Hochkomplexe TreiberlöEine effizientere Schutzlösung bietet bei sungen dagegen haben oft den Nachteil der
Überspannungen der IntelliOff, der Span- aufwendigen Systemimplementierung und
nungsspitzen bereits vor Entstehung vermei- einer geringeren Lebensdauer. Eine optimadet. Im Kurzschlussfall ist die VCE-Erfassung le Treiberlösung erfüllt sowohl die Anfordeein etabliertes Verfahren, welches aufgrund rung der Applikation nach Zuverlässigkeit,
der einfachen Anpassbarkeit und Modulfrei- berücksichtigt jedoch auch die preissensibheit Vorteile gegenüber dem di/dt-Verfahren len Erwartungen von Hochserienanwendungen.
bietet.
Auf dem Markt gibt es diverse Treiberschutzkonzepte, von StandardfunktionaliInfoservice
tät bis zu hochkomplexen Treiberlösungen.
Semikron AG
Bei einfachen Treiberlösungen muss der
Industriestrasse 19, 8304 Wallisellen
Anwender nachträglich Schutzfunktionen
Tel. 044 914 13 33, Fax 044 914 13 30
realisieren und diese im Gesamtsystem
sales.skch@semikron.com, www.semikron.com
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Technische Informationen
www.vibratec.ch
Vibratec AG
Industriestrasse 21
CH-5507 Mellingen
Tel. +41 (0)56 481 77 77
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