In modernen Frequenzumrichtern für leistungsstarke Antriebe kommen heute meist IGBTs als Leistungsschalter zum Einsatz. Im DC-Zwischenkreis treten dabei die typischen Sperrspannungen von 1200 bis 1700 V und mehr auf, und zwar als periodische wiederkehrende Spitzenspannung, während das User-Interface gewöhnlich auf 15 V liegt. Zum Schutz des Anwenders müssen Entwickler daher eine galvanische Trennung zwischen beiden Potenzialen vorsehen. Die Potenzialtrennung muss innerhalb der gewählten Ansteuertopologie für die IGBT sichergestellt sein.

Eckdaten

In IGBT-Schaltungen für Frequenzumrichter kommen im Zwischenkreis gerne 1200 bis 1700 V vor, am User-Interface aber nur 15 V. Aus Sicherheitsgründen ist eine galvanische Trennung zwischen beiden Potenzialen nötig. Für die Signalübertragung eignen sich einfache Optokoppler, aber für die zum Schalten nötig Leistung braucht man Gate-Drive-Transformer. Vacuumschmelze stellt hier neue Ansteuerübertrager vor.

Dabei ist prinzipiell zwischen zwei Übertragungsformen zu unterscheiden: Einerseits muss das System die tatsächlichen Ansteuersignale zum Schalten der IGBT übermitteln (Signalübertragung). Dazu eignen sich Puls-Transformatoren, die meisten Entwickler verwenden aus Kostengründen allerdings Optokoppler. Andererseits muss der Leistungsschalter die notwendige Energie zum Durchschalten erhalten (Leistungsübertragung). Hierzu werden meist DC/DC-Wandler eingesetzt.

Ansteuerübertrager im DC/DC-Wandler

Innerhalb der DC/DC-Wandler sorgen Gate-Drive-Transformer (Ansteuerübertrager) für die sichere galvanische Trennung zwischen dem User-Interface und dem Zwischenkreis. Die Übertrager der Vacuumschmelze stehen in SMT- und THT-Designs zur Verfügung. Als Kernmaterial kommt der nanokristalline Werkstoff Vitroperm zum Einsatz, der beste weichmagnetische Eigenschaften wie niedrige Koerzitivfeldstärke und hohe Permeabilität mit einer großen Sättigungsmagnetisierung von 1,2 T vereint. Auf Grund der dadurch möglichen hohen Aussteuerung der Übertrager lassen sich im Verhältnis zum Bauvolumen sehr große Spannungszeitflächen realisieren. Die für die Kundenanwendung benötigte Spannungszeitfläche ergibt sich dabei aus der Eingangsspannung (beispielsweise 15 V) und der Schaltfrequenz (zum Beispiel 100 kHz). Bei einem typischen Übertragungsverhältnis von 1 : 1 : 1 werden dabei zwei IGBT (Top und Bottom) über einen Gate-Drive-Transformer versorgt.

Weitere wichtige Kenngrößen des Ansteuerübertragers sind die Streuinduktivität und die Koppelkapazität. Um eine erstklassige Übertragungscharakteristik zu gewährleisten, sollte die Streuinduktivität im Bereich weniger Mikrohenry liegen. Eine niedrige Koppelkapazität (einige Pikofarad) stellt sicher, dass keine unerwünschten Störspannungen zurück auf die Primärseite transformiert werden. Dank der modernen Wickelkonzepte und des hochpermeablen Kernwerkstoffs der VAC lassen sich Streuinduktivität und Koppelkapazität in einem großen Bereich auf die Bedürfnisse der Kunden-Applikation anpassen.

Bild 1: Diese drei Übertrager hat VAC kürzlich  durch den VDE nach der Norm IEC 61558 zertifizieren lassen.

Bild 1: Diese drei Übertrager hat VAC kürzlich durch den VDE nach der Norm IEC 61558 zertifizieren lassen. Vacuumschmelze

Normen einhalten

Das Einhalten internationaler Normen gewinnt zunehmend an Bedeutung, wobei die spezifische Norm dabei letztlich von der Anwendung vorgegeben wird. Um ihren Kunden ein hohes Maß an Flexibilität an die Hand zu geben, hat die Vacuumschmelze kürzlich drei neue Ansteuerübertrager nach der IEC 61558 für die „Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten, Drosseln und dergleichen“ vorgestellt (Bild 1). Sie sind für unterschiedliche Betriebsfrequenzen ausgelegt und bieten sichere elektrische Isolierung für Arbeitsspannungen zwischen 300 und 600 V. Sie basieren auf dem firmeneigenen UL1446-Klasse-F-Isoliersystem „VAC-ISO-F1“ (E329745) und können bis zu einer Betriebstemperatur von 120 °C eingesetzt werden. Der VDE Offenbach hat die Konformität zur IEC 61558 geprüft und bestätigt.

Bild 2: Der Ansteuerübertrager VAC 5046-X100 arbeitet mit 100 kHz und überträgt bis 3 W vom 15-V-User-Interface in den Zwischenkreis (bis zu 1200 V).

Bild 2: Der Ansteuerübertrager VAC 5046-X100 arbeitet mit 100 kHz und überträgt bis 3 W vom 15-V-User-Interface in den Zwischenkreis (bis zu 1200 V). Vacuumschmelze

Die neueste Produktvorstellung ist ein Gate-Drive-Transformer für Anwendungen mit 1200-V-IGBT, welcher in Kooperation mit Infineon entstanden ist. Bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 1,2 : 1,2 eignet sich der SMT-Übertrager 5046-X100 (Bild 2) für eine Schaltfrequenz von 100 kHz. Er ist dabei auf Infineons IGBT der Econodual-3-Serie abgestimmt und kommt auf dem neuen Evaluation-Board EVAL-1EDS20I12SV zum Einsatz. Einsatzschwerpunkt sind industrielle Antriebe, weswegen VAC diesen Ansteuerübertrager konform zur IEC 61800-5-1 für „Elektrische Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl“ ausgelegt hat.

Isolationsgüte

Zur Gewährleistung der hohen Isolationsgüte sollten Kunden auf das Glimmverhalten der Übertrager achten. Bei hohen Potenzialen zwischen den Wicklungen kann es zu Teilentladungen kommen, welche die Isolation schädigen können. Das Glimmverhalten des Bauteils kann über die eingesetzten Wickel- und Isolationskonzepte beeinflusst werden. Ansteuerübertrager der Vacuumschmelze zeichnen sich durch hohe Teilentladungsaussetzspannungen aus, wobei zu beachten ist, dass das Glimmen erst bei deutlich höheren Spannungen einsetzt.