EUR | USD

Einsatz von Hochstrom-IGBT-Treibern mit integriertem Schutz für eine zuverlässige industrielle Motorsteuerung

Von Steven Keeping

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

In dem Bemühen, die Kosten zu senken und den Energieverbrauch in industriellen Steuerungsanwendungen zu senken, setzen die Konstrukteure auf bürstenlose Hochfrequenz- und Hochstrom-Gleichstrommotoren (BLDC). Diese setzen für zügigeres Schalten zur Erhöhung der Leistungsdichte zunehmend auf schnellere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT) anstelle von MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Um jedoch effizient und sicher arbeiten zu können, müssen die Entwickler eine Pufferschaltung zwischen dem Ausgang der BLDC-Motorsteuerung und den IGBT-Leistungstransistoren einbauen.

Diskrete Schaltkreise mit BJT-„Totem-Pole“-Schaltungen (BJT: Bipolar Junction Transistor) können diese Pufferfunktion übernehmen, aber solche Lösungen sind in der Regel nicht gegen Hochspannungs- und Hochstromtransienten geschützt. Sie sind auch nicht in der Lage, den Niederspannungsausgang des digitalen Controllers auf die höheren Spannungen und Ströme zu bringen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb von IGBTs erforderlich sind. Das Hinzufügen dieser Schaltkreise verkompliziert und verlangsamt auch den Designprozess, verbraucht Platz und vergrößert die Stückliste (BOM).

Zur Bewältigung dieser Probleme kombiniert eine neue Generation von integrierten Hochfrequenz-Gate-Treibern für BLDC-Motoranwendungen die für den Betrieb von IGBTs erforderlichen Puffer- und Verstärkerschaltungen und integriert gleichzeitig eine Schutzschaltung. Neben Funktionen zur Effizienzsteigerung benötigen diese Komponenten weniger Peripheriegeräte und weisen niedrigere Betriebstemperaturen auf. Ihr geringerer Platzbedarf erhöht die Leistungsdichte eines Hochfrequenzmotors und spart Platz.

Dieser Artikel behandelt kurz weitere Grundlagen des Treibers und beschreibt die Rolle von Hochstrom-IGBT-Treibern in modernen industriellen Elektromotoranwendungen. Anschließend wird erläutert, worauf es bei einem industrietauglichen Gerät ankommt, um Schutz und Effizienz zu maximieren und gleichzeitig Kosten und Komplexität zu minimieren. Im Rahmen dieses Artikels werden Beispieltreiber von ROHM Semiconductor, Texas Instruments und ON Semiconductor vorgestellt und es wird erörtert, wie diese effektiv in ein Motordesign integriert werden können.

Grundlagen des BLDC-Motortreibers

Ein gebräuchlicher Typ von Elektromotoren ist der dreiphasige Gleichstrommotor, bei dem die Rotorbewegung durch das rotierende Magnetfeld induziert wird, das durch das Erregen der Wicklungen in einer kontrollierten Sequenz (Kommutierung) erzeugt wird. Die Rotordrehzahl ist proportional zur Betriebsfrequenz des Motors. Die Pulsweitenmodulation (PWM) wird über die Basisbetriebsfrequenz gelegt, um Anlaufstrom, Drehmoment und Leistung zu steuern.

Der Hochfrequenzbetrieb bietet einige wesentliche Vorteile. So wird beispielsweise die Stromwelligkeit – ein Artefakt des Wechselstromeingangs (AC) nach der Gleichrichtung – reduziert, was wiederum die Größe und die Kosten der für die Filterung benötigten passiven Komponenten reduziert. Der Hochfrequenzbetrieb reduziert auch die ungleichmäßige elektromotorische Kraft (EMK), die durch einen nicht perfekten sinusförmigen Eingang zu den Motorspulen entstehen kann, und verringert so die Motorvibration und den Verschleiß. Im Allgemeinen erhöht das Schalten mit höherer Frequenz die Leistungsdichte und ermöglicht den Einsatz physikalisch kleinerer Motoren für eine vorgegebene Ausgangsleistung.

Obwohl es Abweichungen gibt, umfasst ein typisches Regelkreissystem für den Hochfrequenzbetrieb folgende Komponenten:

  • Einen Drehzahlreglereingang – ein Controller, der die Motorkommutierung überwacht, indem er die entsprechende PWM für den Treiber erzeugt
  • Einen Treiber, der die Low- und High-Side-Leistungstransistoren schaltet
  • Leistungstransistoren in H-Halbbrücken-Topologie, die die Motorspulen erregen

Bei einem sensorgesteuerten BLDC-Motor wird der Regelkreis durch Rückmeldung von Hall-Effekt-Sensoren geschlossen, die die rotierende Welle des Motors überwachen (Abbildung 1). Sensorlose Modelle berechnen die Motorposition aus der rückwirkenden EMK. (Weitere Informationen zur Entwicklung eines kompletten geschlossenen Steuerungssystems für Drehstrommotoren mit und ohne Sensor finden Sie in den Digi-Key-Artikeln How to Power and Control Brushless DC Motors (Stromversorgung und Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren), Why and How to Sinusoidally Control Three-Phase Brushless DC Motors (Sinusförmige Steuerung von bürstenlosen Drei-Phasen-DC-Motoren. Warum und wie) und Control Sensorless BLDC Motors via Back EMF (Steuerung von sensorlosen BLDC-Motoren über rückwirkende EMK).)

Diagramm: Texas Instruments MSP430 Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis für einen dreiphasigen BLDC-MotorAbbildung 1: Typisches System mit geschlossenem Regelkreis für einen Drehstrommotor mit Regelung, Treiber und Leistungstransistor-H-Halbbrücke. Dieses Regelungssystem verwendet Hall-Effekt-Sensoren für die Rückkopplungsschaltung, aber auch sensorlose Systeme sind weit verbreitet. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Treiber ist eine Schlüsselkomponente in einem BLDC-Motorsteuerungsdesign. Es handelt sich im Prinzip um einen Leistungsverstärker, der eine niedrige Leistungsaufnahme von der BLDC-Motorsteuerung empfängt und seinerseits einen Hochstromantriebseingang für die Gates der High- und Low-Side-Leistungstransistoren (IGBTs) in der H-Halbbrücke erzeugt. Jedoch sind die neuesten Versionen der Treiber für den Hochfrequenzbetrieb hochgradig integriert und können noch viel mehr.

Vorteile von integrierten IGBT-Treibern

Es ist möglich, einen IGBT-Treiber aus diskreten Komponenten zu bauen. Dargestellt ist eine BJT-„Totem-Pole“-Schaltung (BJT: Bipolartransistor), die zum Antreiben eines Leistungstransistors dient (Abbildung 2). In diesem Fall wird ein herkömmlicherer MOSFET verwendet, aber die Konfiguration ist auf einen IGBT übertragbar.

Diagramm eines BJT-Totem-Pole-MOSFET-Treibers von Texas InstrumentsAbbildung 2: Ein diskreter BJT-Totem-Pole-MOSFET-Treiber funktioniert gut, aber er invertiert die Spannung, ist anfällig für Kurzschlüsse und bietet keinen Schutz. (Bildquelle: Texas Instruments)

Zwei wesentliche Nachteile dieser Schaltung sind eine invertierte Spannung am Ausgang und Kurzschlüsse während der Gate-Spannungstransienten. Darüber hinaus kann der IGBT beim Ein- und Ausschalten (bevor die BJT-Speisung die volle Betriebsspannung erreicht) einer Kombination aus Hochspannung und Hochstrom ausgesetzt sein. Dies erhöht die Verlustleistung und kann zu Überhitzung und dauerhaften Schäden führen. Es ist zwar möglich, dass der Konstrukteur Schutzschaltungen hinzufügt, die zur Erfüllung der von industriellen BLDC-Motoren geforderten Sicherheitsstandards erforderlich sind, aber das Design ist anspruchsvoll, und die zusätzlichen Komponenten erhöhen Kosten, Komplexität und Größe.

Ein weiteres Problem bei diskreten BJT-Totem-Pole-Schaltungen ist die fehlende Pegelwandlung. Die digitale Leistungsregelung dominiert mittlerweile die BLDC-Motorsteuerung, bietet aber nur einen niedrigen Strom-/Spannungsausgang. So ist beispielsweise das PWM-Signal des digitalen Controllers oft ein logisches 3,3-Volt-Signal, das einen IGBT nicht effektiv einschalten kann. Eine Pegelwandlung ist erforderlich, um die Niederstrom-/Niederspannungs-PWM-Signale vom Controller auf die Hochstrom-/Hochspannungs-PWM-Signale (typischerweise 9 bis 12 Volt) zu erhöhen, die zur Aktivierung von IGBTs erforderlich sind.

Neben offensichtlichen Vorteilen wie reduzierter Designkomplexität, verkürzter Entwicklungszeit und kleinerer Größe decken die integrierten Hochstrom-IGBT-Treiber alle Probleme einer diskreten Lösung ab. Die Komponenten minimieren auch den Einfluss von hochfrequentem Schaltrauschen, indem sie den Hochstrom-Treiber physisch in der Nähe des Leistungsschalters positionieren und gleichzeitig die Verlustleistung und die thermische Belastung in den Steuerungen reduzieren.

So ist beispielsweise eine Lösung wie der integrierte Gate-Treiber BM60212FV-CE2 von ROHM Semiconductor ideal für die Ansteuerung eines High- und Low-Side-IGBT-Paares geeignet. Die Komponente ist sowohl mit logischen 3,3- als auch mit 5-Volt-Controller-Signalen kompatibel und liefert eine potentialfreie High-Side-Versorgungsspannung von bis zu 1200 Volt und eine maximale Gate-Antriebsspannung von 24 Volt. Die maximale Ein-/Ausschaltzeit beträgt 75 Nanosekunden (ns). Der maximale Ausgangsstrom beträgt 4,5 Ampere (A) (mit einer Spitze von 5 A für 1 Mikrosekunde (µs)).

Integrierter Schutz

Die neue Generation von IGBT-Treibern wie der BM60212FV-CE2 verfügt über integrierte Schutzschaltungen, speziell Unterspannungsabschaltung (UVLO) und Entsättigungsschutz (DESAT).

UVLO ist nützlich, um Überhitzung und Schäden beim Einschalten zu vermeiden. Wenn beim Einschalten die Gate-Spannung (VGS für einen MOSFET oder VGE für einen IGBT) zu niedrig ist, besteht die Gefahr, dass der Transistor schnell in seinen Sättigungsbereich eintritt, wo Leitungsverluste und Verlustleistung eskalieren. Eine Darstellung dieses Effekts zeigt, wie VGS-Werte einen Leistungstransistor beeinflussen (Abbildung 3). Auch hier wird ein MOSFET zur Veranschaulichung verwendet, aber ähnliche Merkmale gelten für den IGBT. Die rechte Seite der roten Kurve ist der Sättigungsbereich, definiert durch einen konstanten Drain-Source-Strom (oder Kollektor-Emitter-Strom für das IGBT), abhängig von VGS und unabhängig von der Drain-Source-Spannung (VDS).

Grafik: Drain-Strom vs. Drain-Source-Spannung für VGSAbbildung 3: Verluste eskalieren, wenn der MOSFET oder IGBT in den Sättigungsbereich (rechts neben der roten Linie) eintritt, bevor er vollständig eingeschaltet wird. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Lösung besteht darin, UVLO so zu integrieren, dass keine Spannung an das Gate angelegt wird, bis das Netzteil ein ausreichendes Spannungsniveau erreicht hat, um sicherzustellen, dass der MOSFET oder IGBT schnell eingeschaltet werden kann und somit eine zu starke Verlustleistung vermieden wird. Der Gate-Treiber für UCC27512MDRSTEP IGBT (und MOSFET) von Texas Instruments beinhaltet beispielsweise einen UVLO-Mechanismus, der den Ausgang des Treibers erdet, wenn die Stromversorgung nicht einen vom Entwickler festgelegten UVLO-Schwellenwert erreicht hat (Abbildung 4). Der UCC27512MDRSTEP ist ein Low-Side-Gate-Treiber mit einem Spitzensenkstrom von 8 A.

Diagramm: UCC27512MDRSTEP IGBT-Treiber von TIAbbildung 4: IGBT-Treiber wie der UCC27512MDRSTEP von TI verfügen über eine UVLO, um sicherzustellen, dass der Treiber erst dann den IGBT schaltet, wenn die Spannungsversorgung einen Schwellenwert erreicht hat. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der NCV5702DR2G von ON Semiconductor ist typisch für IGBT-Treiber mit DESAT-Funktion. Diese Schutzschaltung vergleicht die Kollektor-Emitter-Spannung (VCE) des IGBT mit einer Referenzspannung. Wenn sie höher ist, schaltet der IGBT-Treiber seinen Ausgang zum Schutz des Leistungstransistors ab.

Der NCV5702DR2G ist ein Hochstrom-IGBT-Treiber, der entwickelt wurde, um ein High- und Low-Side-IGBT-Paar in einer Motorantriebsanwendung anzusteuern. Das Gerät kann bis zu 22 V Ausgangsspannung bei einer Eingangsspannung von -0,3 bis 5,5 V liefern. Der Spitzensenkstrom beträgt 6,8 A (13 Volt Ausgangsspannung) und der Spitzenquellstrom 7,8 A (-5 Volt Ausgangsspannung).

Der NCV5702DR2G überwacht die VCE des IGBTs, sobald das Gerät vollständig eingeschaltet ist; im Normalbetrieb sollte die VCE bei modernen IGBTs etwa 3 Volt betragen. Wenn die VCE deutlich höher ist, deutet dies tendenziell auf ein Überstrom- oder ähnliches Stressereignis hin, das den IGBT beschädigen könnte.

Für kurze Zeit bei Inbetriebnahme ist die VCE in der Regel hoch (erst nach etwa 1 µs sinkt sie auf den unteren Pegel ab). Um zu verhindern, dass der DESAT-Schutz zu früh einsetzt, wird der Vergleich mit der Referenzspannung um eine „Blanking-Zeit“ verzögert, die durch einen Kondensator CBLANK umgesetzt wird (Abbildung 5).

Diagramm: NCV5702DR2G IGBT-Treiber von ON SemiconductorAbbildung 5: Die DESAT-Schutzschaltung im ON Semiconductor NCV5702DR2G IGBT-Treiber schaltet den Ausgang zum IGBT ab, wenn die VCE über eine Referenzspannung VDESAT-THR steigt. CBLANK stellt eine Zeitverzögerung ein, um sicherzustellen, dass der DESAT-Schutz nicht vor dem vollständigen Einschalten des IGBTs ausgelöst wird. Hinweis: ON Semiconductor verwendet im Datenblatt NCD570x als Referenz. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Zusätzlich zu den Schutzschaltungen bieten integrierte IGBT-Treiber eine bessere Leistung als Treiber, die aus diskreten Komponenten bestehen, da sie üblicherweise Funktionen zur Effizienzsteigerung beinhalten.

Maximierung des Wirkungsgrads

Die Leistungsdichte des BLDC-Motors wird zum Teil durch den Wirkungsgrad bestimmt; ein BLDC, der mehr Leistung verbraucht, erfordert ein verstärktes Wärmemanagement, einschließlich größerer Kühlkörper, was sich auf die Größe der Lösung auswirkt.

Die beim Transistorschalten entstehenden Verluste werden entweder als statisch oder dynamisch kategorisiert. Statische Verluste werden durch Parameter wie den parasitären Widerstand der Komponente erzeugt, während dynamische Schaltverluste zum Teil auf parasitäre Kapazitäten zurückzuführen sind.

Beim Schalten verhält sich die Verlustleistung des Transistors proportional zur Versorgungsspannung, Gate-Ladung (QG) und Schaltfrequenz. Bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung muss einer Erhöhung der Schaltfrequenz zum Zwecke einer höheren Leistungsdichte mit einer Verringerung der QG begegnet werden, wenn der Wirkungsgrad nicht beeinträchtigt werden soll.

Wesentlichen Anteil an der QG eines IGBT hat die parasitäre Kapazität, und ein großer Teil davon geht auf die Miller-Kapazität zurück. Obwohl der Miller-Effekt erstmals in Triodenröhren nachgewiesen wurde, betrifft er auch moderne Transistoren und manifestiert sich in einer Erhöhung der gesamten Eingangskapazität durch die Verstärkungskapazität zwischen Ein- und Ausgangsklemmen während der Phasen des Schaltzyklus. Neben der Erhöhung der QG ist dies ein wesentlicher Faktor bei der Begrenzung der Verstärkung von Transistoren bei hohen Frequenzen.

Die Miller-Kapazität ist am ausgeprägtesten, wenn der Transistor im sogenannten Miller-Plateau-Bereich arbeitet. In diesem Bereich bleibt die Gate-Spannung konstant (typischerweise etwa 10 Volt), während der Gate-Antriebsstrom aufgeladen oder entladen wird, abhängig davon, ob der IGBT ein- oder ausgeschaltet wird. Wenn der Treiber so konfiguriert werden kann, dass er auf dem Miller-Plateau einen hohen Antriebsstrom liefert, kann er die Dauer der Phase deutlich verkürzen und Schaltverluste verringern helfen.

Durch die Bereitstellung eines hohen Stroms auf dem Miller-Plateau verkürzen IGBT-Treiber wie der ON Semiconductor NCV5702DR2G und der ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2 das Miller-Plateau und sorgen für eine bessere Schaltsteuerung. Insbesondere führt der Hochstromantrieb zu einer reduzierten Einschaltenergie (EON) beim IGBT-Schalten, was die Verlustleistung begrenzt. Darüber hinaus sorgt der hohe IGBT-Antriebsstrom, der durch die niederohmigen internen FETs des IGBT-Treibers erzeugt wird, dafür, dass die Verlustleistung der Treiberschaltung auch bei hohen Schaltfrequenzen primär über den externen Vorwiderstand erfolgt und somit aus thermischer Sicht besser beherrschbar ist.

Der Miller-Effekt kann auch die Verluste der Low-Side-IGBT-Schaltung erhöhen. Das Problem tritt auf, wenn das Einschalten des High-Side-IGBT eine Spannungsspitze (dv/dt) am Kollektor des ausgeschalteten Low-Side-IGBT verursacht. Die Spannungsspitze induziert einen Miller-Strom durch die Miller-Kapazität zur Gate-Kapazität des Low-Side-IGBT (Abbildung 6(a)). Wenn der Pfad vom Gate zur Erde (GND) eine kritische Impedanz aufweist (verursacht durch den Gate-Widerstand RG), könnte der Miller-Strom die Gate-Spannung über den Schwellenwert ansteigen lassen und das Low-Side-IGBT für einige zehn oder hundert Nanosekunden eingeschaltet werden, was die Schaltverluste erhöht. Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser Situation ist die Implementierung einer negativen Gate-Spannung. Der Nachteil ist jedoch, dass dies eine zweite DC-Quelle erfordert.

Eine Alternative ist die Schaffung eines niederohmigen Pfads vom Gate zum GND. Treiber wie der NCV5702DR2G und der BM60212FV-CE2 bieten einen „aktiven Miller-Klemmschutz“. Dieser wird durch eine Leiterbahn, die vom Gate des IGBT zum Klemmstift des Gate-Treibers führt, realisiert. Sobald der Spannungsausgang (VO) unter den aktiven Miller-Klemmschwellenwert (VMC-THR) sinkt, wird der Klemmstift mit dem GND kurzgeschlossen und verhindert, dass die Spannung am Gate des IGBT über die Schwellenspannung ansteigt und den Low-Side-IGBT schaltet (Abbildung 6(b)). Der Klemmstift wird von GND getrennt, sobald das IGBT-Einschaltsignal am Gate-Treiber-Eingang anliegt. Da der Klemmstift erst nach dem Absinken der Gate-Spannung unter den VMC-THR-Schwellenwert geschaltet wird, ist sichergestellt, dass die Funktion dieses Stifts die normale vom Benutzer steuerbare (über die Auswahl von RG) Abschaltleistung nicht beeinträchtigt.

Diagramm: Miller-Effekt kann die Verluste im Low-Side-IGBT erhöhen (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 6: Der Miller-Effekt kann die Verluste im Low-Side-IGBT erhöhen, wenn das High-Side-IGBT einen Spannungsanstieg im ausgeschalteten Low-Side-IGBT verursacht. Die Spannungsspitze induziert Strom durch die Miller-Kapazität zur Gate-Kapazität des Low-Side-IGBT (a). Die Lösung (b) besteht darin, den Klemmstift mit dem GND kurzzuschließen, um zu verhindern, dass die Spannung so weit ansteigt, dass der Low-Side-IGBT eingeschaltet wird. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Designüberlegungen für IGBT-Treiber

Selbst mit einem leistungsstarken integrierten IGBT-Treiber gibt es einige Herausforderungen zu meistern, um unerwünschte Spannungsspitzen, Klingeln und fälschliches Einschalten in einer BLDC-Motorsteuerung zu vermeiden. Diese Probleme treten typischerweise als Folge von schlechter Überbrückung der Stromversorgung, ungünstigem Layout und mangelnder Anpassung von Treiber und Leistungstransistor auf.

Das Ein- und Ausschalten eines IGBT bedeutet beispielsweise das Laden und Entladen großer kapazitiver Lasten, z. B. von 10.000 Picofarad (pF) von 0 auf 15 Volt in 50 ns. Der hierfür erforderliche Strom beträgt 3 A (berechnet über: I = dV x (C/dt)). Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, dass der Stromausgang des Treibers direkt proportional zur Spannungsschwankung und/oder zur Lastkapazität und umgekehrt proportional zur Anstiegszeit ist. Es ist wichtig zu beachten, dass in der Praxis der Ladestrom nicht konstant ist, sondern einen Spitzenwert von 4,7 A erreicht. Daher ist es entscheidend, dass der Treiber Reserven hat, um diese Spitze zu bewältigen. Eine Komponente wie der ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2, der einen Ausgang von 4,5 A und einen Spitzenstrom von 5 A bietet, wäre eine gute Option für dieses Anwendungsgebiet.

Zusätzlich zum Spitzenstromwert muss der Konstrukteur beachten, dass der IGBT-Treiber diesen Strom in nur 50 ns aus der Stromversorgung bezieht. Eine Technik, um diese schnelle Stromaufnahme zu ermöglichen, ist das Hinzufügen eines Paares paralleler Bypass-Kondensatoren (mit einem Wert von mindestens dem 10-fachen der Lastkapazität und mit komplementären Impedanzkurven) in unmittelbarer Nähe des Klemmstifts für die positive Bias-Versorgungsspannung (VCC) des IGBT. Diese Kondensatoren sollten den geringstmöglichen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und die äquivalente Serieninduktivität (ESL) aufweisen, und ihre Leitungslängen sollten minimiert werden.

IGBT-Treiber benötigen einen sehr niederohmigen Pfad für die Stromrückführung zur Erde. In einer typischen Topologie gibt es drei Pfade für die Rückführung des Stroms zur Erde:

  • Zwischen dem IGBT-Treiber und dem Controller
  • Zwischen dem Treiber und seiner eigenen Spannungsversorgung
  • Und zwischen dem Treiber und dem Emitter des zu steuernden IGBT

Jeder dieser Pfade sollte so kurz und breit wie möglich sein, um Induktivität und Widerstand zu reduzieren. Darüber hinaus sollten die Erdungspfade getrennt geführt werden, insbesondere um einen Erdstrom von der Last zu vermeiden, der die Controller-Treiber-Schnittstelle beeinträchtigt. Eine gute Strategie ist es, eine Kupferschicht der Platine als Masse zu verwenden und dann sicherzustellen, dass alle Massepunkte in der Schaltung zum gleichen physischen Punkt führen, um so zu vermeiden, dass unterschiedliche Massepotenziale erzeugt werden.

Um die für das Hochfrequenzschalten erforderlichen schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten zu ermöglichen, sollten stromführende Leiterbahnen auf eine minimale Länge begrenzt werden. Da jeder Zentimeter Länge etwa 8 Nanohenry (nH) Induktivität mit sich bringt, erzeugt eine di/dt von 95 A/µs eine transiente L(dI/dt)-Spannung von 1,9 Volt pro Zentimeter Leiterbahnlänge, die von der Leistung des Treibers abgezogen wird. Die praktische Wirkung ist eine Erhöhung der Anstiegszeit für jede Erhöhung der Leiterbahnlänge vom Ausgang des IGBT-Treibers zum IGBT-Gate. So könnte beispielsweise ein zusätzlicher Zentimeter Leiterbahnlänge die Anstiegszeit von 8 ns auf 28 ns erhöhen. Ein weiterer nachteiliger Effekt einer längeren Leiterbahnlänge ist die potenziell erhöhte elektromagnetische Interferenz (EMI) durch das schnelle Schalten.

Und schließlich gilt: Je niedriger der Induktivitätswert des IGBT-Treibers, desto besser ist die Schaltleistung, da diese Induktivität praktisch in Reihe geschaltet ist mit dem IGBT-Emitter und Rückkopplungen erzeugt, die die Schaltzeiten erhöhen. Eine typische Anwendungsschaltung für einen IGBT-Treiber, der ein High- und Low-Side-Leistungstransistorpaar schaltet, ist in Abbildung 7 dargestellt.

Diagramm: Integrierter IGBT/MOSFET-Treiber des ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2Abbildung 7: Eine typische Anwendungsschaltung für einen hochstromigen, integrierten IGBT/MOSFET-Treiber (in diesem Fall der ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2) mit UVLO und Miller-Klemmung. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Fazit

Die Forderung nach höherer Leistungsdichte in industriellen BLDC-Motoren stellt hohe Ansprüche an die Steuerelektronik, die mit herkömmlichen diskreten MOSFET-Komponentenlösungen nur schwer zu erfüllen sind. IGBT-Treiber bieten eine Lösung für den hochfrequenten Hochstrombetrieb, der für die Ansteuerung von IGBTs in BLDC-Motoren mit hoher Leistungsdichte erforderlich ist. Im Zuge der Weiterentwicklung dieser Komponenten sind sie immer stärker integriert und einfacher zu bedienen, während sie gleichzeitig Funktionen zum Schutz der Leistungstransistoren, zur Verbesserung der Effizienz und zur Platzersparnis übernehmen.

Wie gezeigt, müssen die Entwickler, um die Vorteile dieser IGBT-Treiber voll auszuschöpfen, Treiber- und Peripheriekomponenten an die Frequenz- und Leistungsanforderungen der IGBTs anpassen und gleichzeitig das Layout der Platine genau beachten.

Referenzen

  1. „Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits (Grundlagen von MOSFET- und IGBT-Gate-Treiberschaltungen)“, Laszlo Balogh, Texas Instruments, März 2017.
  2. „Low-side gate drivers with UVLO vs BJT totem-pole (Low-Side-Gate-Treiber mit UVLO im Vergleich zu BJT-Totem-Pole)“, Mamadou Diallo, Texas Instruments, Februar 2018.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

Steven Keeping

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key