Beim Optimieren von IGBT-Halbbrückenschaltungen für Motorsteuerungsanwendungen sind viele Faktoren relevant. Schaltleistungsverluste, erzeugte elektromagnetische Störungen, Shoot-Through-Ströme und fehlerhaftes Triggern hängen von der Anwendungsumgebung ab, einschließlich der Busspannung und der Schaltstromstärke. Aus der Größe der Busspannung und der Schaltstromstärke wiederum leitet sich ab, wie groß der IGBT sein muss und damit wie stark die parasitären Komponenten des Geräts sind, vor allem die zugehörigen Kapazitäten. Mit dem Wissen über die Größe der parasitären Komponenten und Systeme können Entwickler dann einen optimalen Gate-Widerstandswert wählen.

Bild 1: Der C∙dV/dt-Effekt und das parasitäre Einschalten.

Bild 1: Der C∙dV/dt-Effekt und das parasitäre Einschalten.Fairchild

Beim Entwurf des Gatetreibers für eine Halbbrückenanordnung sind die Gate-Widerstandswerte Rg_on und Rg_off in Bild 1 sorgfältig zu prüfen. Ein niedriger Rg_on-Wert verringert den Schaltleistungsverlust, weil sich der IGBT schneller einschaltet. Infolge der kürzeren Schaltzeit liegen die hohen Spannung und Ströme nur während eines kürzeren Zeitraums an. Diese schnelle Schaltgeschwindigkeit kann jedoch verschiedene negative Auswirkungen haben, zum Beispiel stärkere elektromagnetische Störungen und unerwarteter Shoot-Through-Strom (Kurzschlussstrom) während des Schaltvorgangs.

Eckdaten

Motorsteuerungen müssen heute immer effizienter arbeiten. Durch den Einsatz von IGBTs in Halbbrücken-Topologien und sehr engen Schaltzeiten können Shoot-Through-Ströme auftreten, als transiente Kurzschlussströme während der Schaltphasen der IGBTs. Der Beitrag erklärt die sinnvollen Gegenmaßnahmen und zeigt auf, welche Wechselwirkungen es bei jeder Maßnahme gibt.

Shoot-Through-Strom

Wie in Bild 1 dargestellt, bewirkt der Shoot-Through-Strom ein parasitäres Einschalten des IGBT: dieser Kurzschlussstrom lädt das Gate auf dem gegenüberliegenden IGBT soweit auf, dass die Schwellenspannung überschritten wird. Wenn ein IGBT eingeschaltet wird, entsteht eine steigende dVce/dt-Spannung am gegenüberliegenden IGBT. Diese steigende Spannung lädt den Miller-Kondensator Cgc. Der Ladestrom wird durch die Gleichung Icharging = Cgc · dVce/dt beschrieben.

Bild 2: Reale Schaltkurvenform bei durch C∙dV/dt-Effekt erzeugtem Shoot-Through-Strom.

Bild 2: Reale Schaltkurvenform bei durch C∙dV/dt-Effekt erzeugtem Shoot-Through-Strom.Fairchild

Dieser Strom fließt in die Gate-Kapazität Cge und Rg_off wie durch die blauen Linien in Bild 1 dargestellt. Über dem Gate-Emitter des IGBT entsteht eine Spannung, basierend auf Rg_off, Cge und dem Ladestrom. Ist diese Gate-Emitter-Spannung höher als die Schwellenspannung des Gate-Emitters (VGEth), entsteht ein Shoot-Through-Strom (Kurzschlussstrom) wie durch die rote Linie in Bild 1 und die grüne Kurve in Bild 2 dargestellt.

Man könnte diesem Phänomen vorbeugen, indem man den Schwellenwert VGEth des IGBT erhöht. Es gilt jedoch zwischen dem Vce(sat)-Verhalten und VGEth abzuwägen. Ein Erhöhen der Gate-Schwellenspannung führt zu einem zusätzlichen Leistungsabfall, weil damit auch die Sättigungsspannung Vce(sat) des IGBT steigt. Somit sind der Erhöhung von VGEth Grenzen hinsichtlich der Effizienz gesetzt. Besser ist es, einen geeigneten Gate-Widerstandswert zu wählen und dabei fixe IGBT-Eigenschaften anzunehmen, vor allem die parasitäre Kapazität und VGEth.

Wechselwirkungen beim Optimieren

Zur Optimierung des Gate-Steuerwiderstands muss man die verschiedenen Wechselwirkungen der externen Faktoren kennen, welche den in Bild 2 beobachteten „Vge-Anstieg“ beeinflussen. Die Höhe dieses Anstiegs wird durch folgende Zusammenhänge beeinflusst:

  • Rg_off hoch -> erhöhter Vge-Anstieg
  • Rg_on niedrig -> schneller Anstieg von dVce/dt -> erhöhter C∙dV/dt-Strom -> erhöhter Vge-Anstieg
  • Hohe Gate-Steuerspannung -> schneller Anstieg von dVce/dt -> erhöhter C∙dV/dt-Strom -> erhöhter Vge-Anstieg
  • Hohe DC-Busspannung -> schneller Anstieg von dVce/dt -> erhöhter C∙dv/dt-Strom -> erhöhter Vge-Anstieg
  • Niedriger Kollektorstrom -> schneller Anstieg von dVce/dt -> erhöhter C∙dV/dt-Strom -> erhöhter Vge-Anstieg
Bild 3: Beispiel für Optimierung durch Senkung von Rg_off.

Bild 3: Beispiel für Optimierung durch Senkung von Rg_off.Fairchild

Die letzten drei Faktoren hängen von den Betriebsbedingungen ab. Um den Shoot-Through-Strom und den daraus resultierenden Vge-Anstieg zu minimieren, sollten man für diese drei Faktoren den Worst-Case annehmen und auf dieser Basis dann die ersten beiden Faktoren auslegen.

Bild 3 stellt dar, wie man die Schaltkurven durch Einstellen der Gate-Ausschaltgeschwindigkeit bis zu einem Punkt optimiert, an dem so gut wie kein Shoot-Through-Strom mehr vorhanden ist. Um also dem Problem des Kurzschlusstroms vorzubeugen, gibt es mehrere empfohlene Einstellmethoden (siehe Tabelle 1). Bild 3 zeigt ein Beispiel für die Einstellmethode, bei der man den Wert für Rg_off senkt. Andere Einstellmethoden empfehlen sich, wenn es darum geht die Auswirkungen des Shoot-Through-Stroms zu minimieren und gleichzeitig die Gesamtschaltleistung und Effizienz zu optimieren. Die Tabelle fasst Einstellmethode, erwartete Wirkung und möglicherweise auftretende Schwachpunkte zusammen.

Tabelle 1: Einstellmethoden zur Optimierung von IGBT-Halbbrücken-Schaltübergängen.

Tabelle 1: Einstellmethoden zur Optimierung von IGBT-Halbbrücken-Schaltübergängen.Fairchild

Es empfiehlt sich, mit den verschiedenen Einstellmethoden zu experimentieren, um das Optimum zu finden. Das Ziel lautet, die Effizienz zu maximieren und gleichzeitig den Shoot-Through-Strom sowie die ausgesendeten elektromagnetischen Störungen zu minimieren.

Tool-Unterstützung

Um Motorsteuerungs- und Motorantriebsingenieure bei der Auslegung der Treiber zu unterstützen, hat Fairchild ein webbasiertes Motorsteuerungsdesign-Tool entwickelt. Es liefert minutenschnelle Auswertungen und setzt auf ein Design mit Antriebsmodulen statt diskreter Lösungen. Der Anwender muss nur einen Satz Parameter eingeben, das Tool berechnet daraus:

  • Schalt- und Leitungsverluste über den gesamten Eingangsdatenbereich
  • Sinus-PWM, Raumvektor-PWM sowie vier diskontinuierliche PWM-Methoden akzeptiert
  • ΔTj (Welligkeits-Temperatur) bei angegebener Motorfrequenz; Anzeichen für die langfristige Zuverlässigkeit eines Moduls
  • Grafische Darstellung der Sperrschichttemperatur-Welligkeit bei geringer Umrichter-Ausgangsfrequenz
  • Thermische Anforderungen an die Wärmeableitung zur Erfüllung der angegebenen Kriterien
  • Die berechneten Verluste kombinieren Gleichungen und empirische Ergebnisse für erhöhte Datensicherheit

Trotz aller Werkzeuge müssen Entwickler von Motorsteuerungen und anderen Leistungsschaltungen die Zusammenhänge und Effekte kennen, die in der Energieumwandlung auftreten, um solide und effiziente Schaltungen zu entwerfen. Wie komplex die Zusammenhänge sind, zeigt der hier beschriebene Shoot-Through-Strom.