Halbleiter in 17-mm-Technik für die Motorsteuerung
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Bild 1. Die Powersem Gleichrichter (unten) und die IGBT-Module von Mitsubishi haben eine einheitliche Bauhöhe von nur 17 mm
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Bild 2. Blick auf einen hochintegrierten ASIC-Baustein in einem Concept-IGBT-Treiber
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Bild 3. Der Concept IGBT-Treiber 2SP0115T ist bereits betriebsbereit auf dem CM 200 DX-24S 17-mm-IGBT-Modul von Mitsubishi montiert
Der IGBT gilt als der Leistungshalbleiter, welcher die Vorteile von Bipolar- und Feldeffekttechnik vereint und die Steuerung auch großer Umrichter simpel werden lässt. Moderne Lösungen kommen zudem mit 17 mm Bauhöhe aus, was die Sicherheitsabstände im Schaltschrank erhöht. Doch erst der richtige Treiber holt alle Vorteile aus den Transistoren heraus.
Ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) kann, wie eine Röhre, wie einst die Thyratrons, hochohmig gesteuert werden. Im Gegensatz zum Thyristor lässt er sich, wie ein Mosfet, jederzeit abschalten. Dabei bleibt die Durchlassspannung eines IGBT, wie beim Bipolartransistor, begrenzt. Allerdings benötigt er keinen ständigen Steuerstrom, um durchgeschaltet zu bleiben. Also vereint er das Beste beider Technologien: ein robustes Bauelement, das in der Leistungselektronik vielseitig verwendbar ist, beispielsweise für die Motorsteuerung.
Leistungs-IGBT sind wie Gleichrichterdioden in Modulgehäusen untergebracht, die robust auf Kühlkörper geschraubt und über ebenso verschraubte Stromschienen miteinander verbunden werden können. Bislang waren für diese Module 30 mm Bauhöhe üblich. Damit wurden die Luftstrecken der Stromschienen zu der Abdeckung bzw. den Schranktüren in manchen, für flache Module konzipierten Schaltschränken relativ knapp.
Einheitlich 17 mm Bauhöhe
Die neueste Generation von IGBT im Econo-Dual-Gehäuse benötigt nur noch 17 mm Bauhöhe bis zur Stromschienenverteilung – 13 mm weniger als zuvor. Dieser Platz steht somit jetzt als Sicherheitsabstand zusätzlich zur Verfügung. Dies ist gleichzeitig auch die sechste Technik-Generation beim von HY-Line Power Components vertretenen IGBT-Hersteller Mitsubishi: Nach Planar-, Trench- und schließlich CSTBT-Technologie (Carrier Stored Trench Bipolar Transistor) ist nun Advanced CSTBT Stand der Technik.
Die 17-mm-IGBT-Module von Mitsubishi gibt es in Einzel- bis Siebenfach-Versionen mit Spannungsfestigkeiten von 600 V, 1 200 V und 1 700 V sowie Strombelastbarkeiten von 50 A bis 1 000 A. Hierzu passen die ebenfalls von HY-Line Power Components angebotenen Gleichrichter von Powersem in 17-mm-Bauweise. Somit lassen sich die Gleichrichter und die IGBT der neuen Bauhöhe elegant mit Stromschienen auf einer Ebene in einer Baugruppe verbinden (Bild 1).
Auf den Treiber kommt es an
Ein IGBT ist zwar leichter anzusteuern als andere Bauelemente, allerdings ist seine Steuerung auch nicht trivial: Es reicht nicht einfach eine Signalleitung anzuschließen – um in der Praxis stabil steuerbare Umrichter mit IGBT aufzubauen ist spezielle Steuerelektronik erforderlich.
Zudem bestimmt der Treiber auch die Effizienz der Leistungshalbleiter: Schon geringe Unsauberkeiten beim Umschalten führen zu Verlusten und geringeren Wirkungsgraden sowie Transienten durch zu hohe oder – schlimmer – geringe Totzeiten, zu langsamen oder zu schnellen Schaltvorgängen. Vor allem Drei-Phasen-Brücken-Schaltungen sind auf exakte Ansteuerung angewiesen, wenn Performance-Verluste oder gar Schaltfehler vermieden werden sollen, die das teure Modul gefährden und bei den großen umgesetzten Leistungen auch sonst fatale Folgen haben könnten.
Kleine Steuerfehler können große Schäden anrichten
Zwar gibt es neben einfachen IGBT-Modulen auch moderne IPM (Intelligent Power Module) mit eigenen, integrierten Schutzschaltungen, doch bieten diese keine galvanische Trennung und schränken die möglichen Leistungsdaten durch die feste Schutzschaltung ein. Somit werden also immer noch diskrete, externe Bauteile benötigt, was die Zuverlässigkeit und die Kosten negativ beeinflusst. Zudem ist ein eigenständiges Abschalten des Leistungshalbleiters in Anlagen mit Multilevel-Betrieb nicht sinnvoll bzw. kann diesen und die Anlage sogar zerstören – hier ist eine kontrollierte Abschaltsequenz einzuhalten. Ebenso sollte der Treiber nur bei korrekten Versorgungsspannungen aktiv werden, um unsaubere Schaltvorgänge zu vermeiden.
Es ist daher sinnvoller, auch die Schutzschaltungen gleich in die ohnehin notwendige Steuerelektronik, in den Treiber zu verlegen. Bei Störungen, wie Kurzschluss, Überlast, Fehlsteuerungen, Über- oder Unterspannung, fallen einfache Schaltungen allerdings schnell aus. Das ist dann bei teuren Leistungsbausteinen weniger angenehm – von den möglichen Folgen unkontrolliert freigesetzter Leistungen ganz abgesehen.
Galvanische Trennung
Zudem ist eine galvanische Trennung meist unumgänglich, die induktiv oder optisch realisiert werden kann. Lichtwellenleiter haben hierbei den Vorteil, nicht nur für hohe Spannungsdifferenzen geeignet zu sein, sondern auch gleich das übertragende Kabel-Medium darzustellen. Sie sind die bevorzugte Lösung für höhere Spannungsbereiche und kaskadierte IGBT-Kreise, wie sie beispielsweise für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) verwendet werden. Sie sind außerdem sicher gegen hohe Transienten, die bei Transformator- und auch Optokoppler-Lösungen kapazitiv durchkoppeln können.
Im Gegensatz zu den Optokopplern, die für viele Applikationen zu langsam und nicht spannungsfest genug sind, bietet die Transformator-Lösung Übertragungszeiten bis in den ns-Bereich. Zudem ist sie langzeitstabil und deshalb für höherfrequente Schaltungen interessant. Beide Varianten lassen sich gut in eine Treiberschaltung integrieren, während eine galvanische Trennung erst am Gate des IGBT ziemlich kompliziert würde.
Frühzeitige Integration
Um alle diese Dinge kann und sollte sich der einfache Anwender zwar nicht kümmern, allerdings können sie ihm unverständliche Probleme in die Schaltung einschleppen, wenn sie nicht bei der Konstruktion berücksichtigt wurden. Auf den ersten Blick kostengünstige Eigenentwicklungen, die nur die Grundfunktionen einer Treiberschaltung bereitstellen, können deshalb nicht mit hochintegrierten, intelligenten Treibern mithalten, die auf die möglichen Schwächen eines Hochleistungs-IGBT-Systems abgestimmt sind und durch rechtzeitigen integrierten Schutz der teuren Bauteile mögliche Ausfälle verhindern. Dieses bieten die IGBT-Treiber von Concept Technologie (Bild 2).
Zudem sind die Scale Plug-and-play-IGBT-Treiber von Concept einfach zu montieren: Sie sind in der Bauform (Platinenlayout) auf das IGBT-Modul zugeschnitten, für das sie bestimmt sind und werden mit diesem zu einer Einheit verlötet. Es ist also später nur ein Modul zu montieren, welches das IGBT-Leistungsmodul von Mitsubishi und die IGBT-Steuerelektronik von Concept enthält (Bild 3).
Mit Concept-Scale-Treibern der zweiten Generation ist das Parallelschalten von IGBT-Modulen außerdem wesentlich akkurater möglich, als mit Standard-Schaltungen, da hier die Treiber dezentralisiert werden können und Asymmetrien der IGBT-Module keine Rolle mehr für die Ansteuerung spielen. Selbst bei 6,5-kV-Systemen mit optischer Ankopplung ist das Parallelschalten mehrerer Module über eigene Treiber und einen gemeinsamen Bus kein Problem.
Die Treiber gibt es für den normalen kommerziellen (0 °C bis 70 °C) und den industriellen Temperaturbereich (-40 °C bis 85 °C). Sie berücksichtigen zudem Aspekte wie die notwendigen Luftstrecken und Kriechstrecken und die dazu erforderlichen Teilentladungsprüfungen. Sie haben Verzögerungszeiten von 100 ns und enthalten bereits Transformatoren und Gleichspannungswandler, um die IGBT – auch auf der High-Side – korrekt steuern und überwachen zu können.
Im Zusammenwirken dreier unterschiedlicher Fabrikate erhält man also eine sichere und kostengünstige Lösung für Umrichter und Motorsteuerungen, die sich ohne große Entwicklungsarbeiten direkt in der Anlage verschrauben lässt.
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Autor: Dipl. Ing. (FH) Wolf-Dieter Roth studierte Nachrichtentechnik an der FH München und ist seit vielen Jahren als Fachjournalist, Buchautor und Ingenieur in der Industrie und in Fachverlagen tätig. Er ist technischer Redakteur bei HY-Line Power Components in Unterhaching.
