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Zu jedem IGBT gehört ein Gate-Treiber. Dieser setzt ein PWM-Steuersignal in das Steuersignal für den Leistungshalbleiter um und kann zusätzlich Schutzfunktionen bieten. Es stellt sich die Frage, ob dieser Treiber diskret oder durch Zukauf einer Fertiglösung realisiert wird. Dieser Artikel vermittelt ein allgemeines Verständnis für derartige Gate-Treiber und stellt anhand einer fertigen Zweikanal-Treiberschaltung Vorteile und Kernkompetenzen derselben dar.

Ein Intelligent Gate Driver IGBT enthält eine innere MOSFET- und eine Bipolar-Struktur. Der MOSFET steuert dabei den Bipolar-Transistor, welcher den Leistungsfluss über die Kollektor-Emitter-Strecke führt. So ergänzen sich die Vorteile der hochohmigen Steuerung eines MOSFET mit dem begrenzten Spannungsabfall an einem Bipolartransistor.

Gate hochohmig steuern?

Bild 1: (a) Zweikanal-Gate-Treiber, (b) Funktionen der Primär- und Sekundärseite.

Bild 1: (a) Zweikanal-Gate-Treiber, (b) Funktionen der Primär- und Sekundärseite. Hy-Line

Bild 2: Zweikanal-Driver Core 2SC0435T mit 35 A und 4 W pro Kanal (Einsatzbereich: IGBT-Module bis UCE = 1700 V / IC = 3,6 kA).

Bild 2: Zweikanal-Driver Core 2SC0435T mit 35 A und 4 W pro Kanal (Einsatzbereich: IGBT-Module bis UCE = 1700 V / IC = 3,6 kA).

Bild 3: Prinzipschaltbild Zweikanal-Driver Core 2SC0435T.

Bild 3: Prinzipschaltbild Zweikanal-Driver Core 2SC0435T.

Durch Laden beziehungsweise Entladen der IGBT-parasitären Gate-Emitter-Kapazität wird das Bauteil in den Durchlass- beziehungsweise Sperrbetrieb gesteuert. Der IGBT schaltet ein, wenn die Gate-Spannung die Schwellenspannung überschreitet, und aus, wenn 0 V oder eine negative Spannung anliegen. Durch negative Spannung wird der Ladungsträgertransport und somit der Entladevorgang beschleunigt. Typische Gate-Spannungen sind +15 V für den Einschalt- und -10 V für den Ausschaltvorgang. Da das Gate eine relativ große Kapazität aufweist, reichen die Leistungs- und Spannungspegel eines gewöhnlichen TTL- oder CMOS-Steuersignals eines Mikrocontrollers für die Umladung nicht aus – die Ansteuerung kommt zwar mit weniger Leistung aus als bei einem reinen Bipolarhalbleiter, doch erfolgt sie nicht wirklich hochohmig. Gängige kommerziell erhältliche IGBT-Treiber mit integriertem DC/DC-Wandler bieten einen Leistungsbereich von 1 bis 4 W und einen Ausgangsstrom von 2 bis 30 A pro Kanal.

Grundfunktionen und Anforderungen

Die wichtigen Grundfunktionen einer Treiberschaltung umfassen das verlustarme Ein- und Ausschalten des Halbleiters innerhalb der RBSOA (Reverse Bias Safe Operation Area) und die galvanische Trennung zwischen Steuerelektronik und Leistungshalbleiter. Intelligente Treiber bieten zudem Schutz vor Kurzschluss und Überspannung. Bild 1a zeigt im Beispiel die Schnittstellenfunktion des Treibers zwischen der Ansteuereinheit (Primärseite) und einem Halbbrückenmodul (Sekundärseite). Da Betriebsspannungen bis in den kV-Bereich typisch sind, ist eine galvanische Trennung zwischen der Primär- und Sekundärseite wichtig. Die Umsetzung der galvanischen Trennung wird im weiteren Verlauf dieses Artikels aufgegriffen.

Des Weiteren sind in Bild 1b Funktionen der Primär- und Sekundärseite eines Gate-Treibers zusammengefasst. Die Primärseite übernimmt die Aufbereitung der Steuersignale und den Schutz vor unerwünschten Betriebszuständen. Zudem steht ein DC/DC-Wandler für die Energieversorgung der Sekundärseite und ein Pulsübertrager für die Signalübertragung zur Verfügung. Die Sekundärseite zeichnet sich durch eine Treiberstufe für die Generierung des Gate-Steuersignals und Logik für den Halbleiterschutz aus.

Alternative zu diskretem Aufbau

Die Umsetzung der zuvor beschriebenen Anforderungen in ein diskretes Treiberdesign ist aufwendig und fehleranfällig. Zudem fordert die Entwicklung Erfahrung und Zeit. Des Weiteren sind beim Layout und bei den Komponenten die Luft- und Kriechstrecken einzuhalten und Maßnahmen zum Minimieren von Störeinkopplungen einzuflechten. Das Leiterplatten-Layout sollte symmetrisch aufgebaut sein und es sollten sich keine Flächen mit unterschiedlichen Potentialen überdecken, um die Koppelkapazitäten zu vermindern.

Power Integrations hat aufgrund jahrelanger Erfahrung mit der Entwicklung diskrete Treiberschaltungen ASIC-Bausteine für diese Zwecke entwickelt und bietet Fertiglösungen für unterschiedliche Treiberanforderungen. Die Scale-2 genannten Gate-Treiber (2. Generation, Scale steht für Scaleable, Compact, All-purpose, Low-cost and Easy-to-use) sind für die IGBT-Module aller Hersteller einsetzbar. Die Kernkompetenz liegt in den ASICs auf Basis von High-Voltage Mixed Signal CMOS und dem Transformator für die galvanische Trennung und Signalübertragung.

Die Integration von Schaltkreisen in ASICs (Application Specific Integrated Circuit) ermöglicht das Design von kompakten und zuverlässigen Treibersystemen. Die Anzahl der Bauteile verringert sich um bis zu 95 % gegenüber einem diskreten Aufbau. Da weniger Bauteile ausfallen können, erhöht sich die Zuverlässigkeit deutlich. Die Verwendung gleicher ASIC-Bausteine in den verschiedenen Treiberplattformen macht diese Fertiglösung zudem preisattraktiv.

Galvanische Trennung

Am Beispiel des Zweikanal-Gate-Treibers wird der kompakte Aufbau deutlich (Bild 2): Hier sind Trafoblock und ASICs (LDI = Logic to Driver Interface und IGD = Intelligent Gate Driver) gekennzeichnet. Die galvanische Isolation kann über verschiedene Arten realisiert werden. Power Integrations nutzt Transformatorbauformen wie Ringkern (flexibler Formfaktor, robust, gekapselt) oder Planar (hohe Leistungsdichte, geringe Abmaße, geringe Streuinduktivität).

In Bild 3 ist ein Prinzipschaltbild des Zweikanal-Gate-Treibers dargestellt, aus dem der innere Aufbau des Transformators deutlich wird. Die galvanische Trennung setzt sich aus zwei Pulstransformatoren für die Treiberkanäle und einem Transformator für die DC/DC-Wandlung zusammen. Die Transformatoren sind auf Ringkerne gewickelt und in ein Gehäuse integriert. Dieses Konzept bietet sich für die Übertragung von Steuersignalen für Eingangs-, Ausgangs- und bidirektionale Feedbacksignale an. Der abgebildete Pulstransformator erfüllt die Anforderungen der Energieübertragung und galvanischen Isolation zugleich.

Der optimierte Aufbau und die Wickelmethoden minimiert Störeffekte wie Interferenz und Koppelkapazität. Zudem ist eine hohe Übertragungsrate garantiert. Gegenüber einem Optokoppler bietet der verwendete Pulstransformator geringe Verzögerungen von < 100 ns mit einer Toleranz von ±1 ns und ist deutlich alterungsbeständiger. Falls die geforderten Kriech- und Luftstrecken bei höheren Sperrspannungen die Dimensionen des Trafos übersteigen, bietet sich die optische Kopplung an. Dies ist ab 3,3 kV sinnvoll.

„Logic to Driver Interface“ (LDI)

Auf dem Treiber (Bild 2) befindet sich eingangsseitig ein LDI-ASIC. Hier finden sich die Schnittstelle für die Spannungsversorgung von +15 V, die PWM-Steuersignaleingänge für Kanal A und B (Eingangsspannungsbereich 3,3 bis 15 V) und die Open-Collector-Fehlerausgänge. Des Weiteren sind im LDI die bidirektionale Signalaufbereitung, das Spannungs-Fehlermanagement und die Steuerung des DC/DC-Controllers für die sekundäre Spannungsversorgung integriert.

Die eingangsseitige DC-Versorgungsspannung wird in eine AC-Spannung gewandelt und sekundärseitig gleichgerichtet (Bild 3). Hierfür bietet sich ein Push-Pull-Konverter an, der die DC-Eingangsspannung in eine AC-Spannung wandelt und diese Spannung galvanisch getrennt über den Transformator überträgt. Auf der Sekundärseite erfolgt die Gleichrichtung mittels Dioden.

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