Bild 1: Schaltverhalten eines IGBT. Der linke Graph zeigt die Stromspitze (IC) beim Einschalten. Im rechten Graph wird ersichtlich, wie sich die Spannungsspitze beim Entladen des Gates (VCE) durch eine geringere Schaltspannung reduzieren lässt.

Bild 1: Schaltverhalten eines IGBT. Der linke Graph zeigt die Stromspitze (IC) beim Einschalten. Im rechten Graph wird ersichtlich, wie sich die Spannungsspitze beim Entladen des Gates (VCE) durch eine geringere Schaltspannung reduzieren lässt.Recom

Elektromotoren können wahlweise über die Spannung am Motor oder über die Frequenz gesteuert werden. Moderne Motorsteuerungen arbeiten in der Regel mit pulsbreitenmodulierten Spannungen (PWM), die den Magnetfluss im Motor mit hoher Frequenz umschalten. Dafür werden IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt, die in der Lage sind, hohe Spannungen und Ströme nahezu leistungslos zu schalten.

Solche Steuerungen bestehen im Wesentlichen aus fünf Hauptgruppen: dem Motor-Controller, dem Gate-Treiber, der Leistungsstufe, dem Motor und der Sensorik. Der Controller steuert Funktionen wie Drehzahl, Drehmoment, Drehrichtung oder Position über PWM-Signale. Der Gate-Treiber „beschleunigt“ die relativ langsamen Schaltflanken der Steuerelektronik so weit, dass die IGBTs der Leistungsstufe nahezu leistungslos schalten können. Dabei fließen hohe Stromimpulse über den Motor. Mittels Sensoren direkt am Motor erhält der Controller das nötige Feedback und sorgt so für ein stabiles, in sich geschlossenes Regelsystem.

Auf einen Blick

IGBTs werden asymmetrisch mit positiver und negativer Spannung versorgt. Recom hat dazu jetzt eine Wandler-Generation mit dualen Ausgängen auf den Markt gebracht. Die vier Produktfamilien liefern die für IGBT-Applikationen typischen Spannungen von +15 V und -9 V und lassen sich damit überall dort platzsparend und budgetschonend einsetzen, wo auf die höhere Leistung zweier einzelner Module verzichtet werden kann.

IGBTs sind eine Mischung aus MOSFET am Eingang und bipolarem Transistor am Ausgang. Ihr Schaltverhalten wird durch die Ladung der Gate-Kapazität bestimmt. Für schnelles Einschalten ist eine Spannung von typischerweise +15 V erforderlich. Dabei fließt kurzzeitig ein beachtlicher Strom. Beim schnellen Ausschalten hingegen muss die Ladung der Gate-Kapazität rasch abgebaut werden, was zu hohen Spannungsspitzen führt. Um diese so klein wie möglich zu halten, wird zum Ausschalten anstelle von -15 V eine geringere negative Spannung von meist nur -9 V verwendet (Bild 1). Die geringe Verzögerung beim Abschalten wird zugunsten der längeren Lebensdauer gern in Kauf genommen. Deshalb werden IGBT-Treiber üblicherweise mit zwei unterschiedlichen Spannungen mit entsprechender Leistung versorgt.

DC/DC-Wandler sind im Dauerstress

Bild 2: Schematische Darstellung der Ansteuerung eines Dreiphasenmotors mittels Dreifach-Halbbrücke. In der vergrößert dargestellten IGBT-Ansteuerstufe (IAS) ist deutlich die Trennung zwischen Regel- (blau) und Leistungskreis (rot) zu erkennen.

Bild 2: Schematische Darstellung der Ansteuerung eines Dreiphasenmotors mittels Dreifach-Halbbrücke. In der vergrößert dargestellten IGBT-Ansteuerstufe (IAS) ist deutlich die Trennung zwischen Regel- (blau) und Leistungskreis (rot) zu erkennen. Recom

In der Leistungselektronik ist es eine gewisse Herausforderung, Leistung und Regelung unter einen Hut zu bekommen. Während die Leistungsseite meist auf hohen Potenzialen floatet und mit Schaltspitzen und elektromagnetischen Feldern kämpft, arbeitet die Regelungsseite mit niederer Spannung und direktem Bezug zur Masse. Beide Seiten müssen galvanisch voneinander getrennt werden.

Dies wird am Beispiel einer Motor-Steuerung leicht verständlich. Die Steuerelektronik (Bild 2, hellblauer Bereich) arbeitet mit 5 V gegen Masse, während der Treiber mit dem Gate des IGBT auf wechselnden Potenzialen floatet (Bild 2, roter Bereich). Das Steuersignal wird dem Treiber stromlos über Optokoppler getrennt zugeführt.

Der IGBT hingegen benötigt zur Ladung seiner Gate-Kapazität kurzzeitig einen nennenswerten Strom, der vom Gate-Treiber bereitgestellt wird. Dieser muss über gut isolierte DC/DC-Wandler versorgt werden, damit die galvanische Trennung sichergestellt ist. Wie eingangs erwähnt, sind mit +15 V und -9 V zwei Spannungen erforderlich, so dass pro Treiber entweder zwei getrennte DC/DC-Wandler oder ein Wandler mit asymmetrischem Dual-Ausgang erforderlich sind.

Die Anforderung an die Isolationsspannung der Wandler erscheint auf den ersten Blick nicht sonderlich anspruchsvoll. Da die Spannung in der Spitze 650 V meist nicht überschreitet, erscheint für den Wandler nach allgemein gültiger Formel eine Isolationsspannung von 2 kVDC für 1 s völlig ausreichend. Aber das Thema ist wesentlich komplexer.

Denn die Isolation eines DC/DC-Wandlers und damit vornehmlich die Luft- und Kriechstrecken rund um den Trafo sind für 50 Hz spezifiziert. Bei höheren und außerdem noch wechselnden Frequenzen, wie sie in Motorsteuerungen vorkommen, verhalten sich elektromagnetische Komponenten und Materialien anders. Hinzu kommt, dass die steilen Schaltflanken von rund 1000 V/µs in Verbindung mit parasitären Schaltungskapazitäten sehr hohe Störspitzen generieren können.

Diese Spitzen sind messtechnisch nicht zuverlässig zu erfassen. Wird nämlich ein Oszilloskop angeschlossen, kann die Amplitude durch die Kapazität des Tastkopfes bereits entscheidend gedämpft werden. Auch rechnerisch ist dem Verhalten elektromagnetischer Komponenten kaum beizukommen, zumal es keine Zauberformel für ihr Verhalten bei wechselnden Frequenzen gibt.

Deshalb ist ein Sicherheitspuffer sinnvoll, der in etwa beim doppelten der erwarteten Spitzenwerte liegt. Denn grenzwertige Belastung durch Spannungsspitzen beschleunigt die Alterung der Komponenten und führt langfristig zum Defekt. Ein DC/DC-Wandler verhält sich ähnlich einem Damm, der mit der Dauer des Hochwassers mürbe wird und irgendwann bricht. Deshalb darf davon ausgegangen werden, dass die Zuverlässigkeit einer IGBT-Schaltung umso höher ist, je besser die DC/DC-Wandler isoliert sind.

Isolation ist nicht gleich Isolation

Bild 3: Recom’s „schlaue Scheibe“ liefert zu jeder Isolations-Spezifikation die relevanten Vergleichswerte.

Bild 3: Recom’s „schlaue Scheibe“ liefert zu jeder Isolations-Spezifikation die relevanten Vergleichswerte.Recom

Bei der Spezifikation der zulässigen Isolationsspannung haben sich in der Praxis unterschiedliche Definitionen eingebürgert. Teilweise sind die Werte für DC spezifiziert, teilweise für AC. Auch bei der Belastungsdauer gibt es Unterschiede – mal ist die Spannung pro Sekunde, mal pro Minute oder für Dauerbetrieb spezifiziert. Grundsätzlich gilt: Je kürzer die Belastung desto höher liegt der Grenzwert. Um Anwendern einen schnellen Überblick zu verschaffen, stellt Recom mit dem ISO-Calc ein kostenloses Tool zur Verfügung (Bild 3). Auf der CD-großen Scheibe lassen sich zur jeweiligen Spezifikation die relevanten Vergleichswerte ablesen. Der ISO-Calc kann kostenlos über info@recom-electronic.com angefordert oder auf der Website www.recom-electronic.com online genutzt werden.

Die Angabe der Prüfspannung sagt jedoch noch nicht alles über die Qualität der Isolation. So lassen sich mit rein funktional isolierten Wandlern, bei denen Primär- und Sekundärwicklung direkt übereinander gewickelt sind, durchaus Prüfspannungen von 2000 VAC/1 Minute (4000 VDC/1 s) realisieren. Dies ist für Motorsteuerungen in aller Regel ausreichend. Allerdings sollte auch bedacht werden, dass Spannungsspitzen, wechselnde Temperaturen und mechanische Belastung dem Lack auf lange Sicht so zusetzen können, so dass die spezifizierte Spannungsfestigkeit irgendwann nicht mehr gegeben ist.

Für den Bereich der Medizinelektronik definiert UL (Underwriters Laborities) Isolationsklassen mit höheren Luft- und Kriechstrecken. Für den Einsatz am Patienten ist eine doppelte Isolationsbarriere (zum Beispiel mittels reinforced Isolation) vorgeschrieben, die auch dann noch vollen Schutz gewährleistet, wenn es innerhalb des Gerätes zu einem Defekt kommen sollte. Die Leistungselektronik kennt solche Vorgaben nicht. Aus Erfahrung kann jedoch gesagt werden, dass die Lebensdauer eines DC/DC-Wandlers in IGBT-Schaltungen umso größer ist, je höher Prüfspannung und Isolationsklasse gewählt werden.

Breite Produktpalette für IGBT-Applikationen

Da IGBTs, wie zuvor beschrieben, asymmetrisch mit positiver und negativer Spannung versorgt werden müssen – meist sind es +15 V und -9 V – waren bislang je Treiber zwei DC/DC-Wandler nötig. Erfolgreiche Beispiele dafür sind Recom‘s Wandler-Paare RK-xx09S/RK-xx15S mit einer Prüfspannung von 2000 VAC/1 Minute (4000 VDC/1 s) oder RP-xx09S/RP-xx15S mit 2600 VAC/1 Minute (5200 VDC/1 s). Noch besser isoliert sind die Kombinationen RxxP09S/RxxP15S (1 W) und RxxP209S/RxxP215S (2 W) mit Prüfspannungen von 3200 VAC/1 Minute (6400 VDC/1 s). Alle Versionen sind im platzsparenden SIP7-Gehäuse untergebracht und arbeiten bei natürlicher Kühlung bis zu Umgebungstemperaturen von +85 °C ohne Derating.

Bild 4: Die neue Wandlergeneration von Recom hat duale, asymmetrische Ausgänge mit den für IGBT-Applikationen typischen +15 und -9 V.

Bild 4: Die neue Wandlergeneration von Recom hat duale, asymmetrische Ausgänge mit den für IGBT-Applikationen typischen +15 und -9 V.Recom

Recom hat jetzt eine neue Wandler-Generation mit dualen Ausgängen vorgestellt (Bild 4). Die vier Produktfamilien sind mit denselben Isolationsspannungen verfügbar wie die zuvor beschriebenen Wandler-Paare, liefern aber die für IGBT-Applikationen typischen Spannungen von +15 V und -9 V. Sie lassen sich damit überall dort platzsparend und budgetschonend einsetzen, wo auf die höhere Leistung zweier einzelner Module verzichtet werden kann. Alle Varianten sind wahlweise mit 5 V, 12 V und 24 V am Eingang verfügbar. Sie sind gemäß EN-60950-1 und EN60601-1 zertifiziert und entsprechend RoHS 6/6 100 % bleifrei. Die Garantiezeit beträgt, wie bei Recom-Wandlern üblich, 3 Jahre.