AN-9701 - antriebstechnik.fh

AN-9701
Applikationsschrift
Treiberleistung richtig berechnet
Was bei der Dimensionierung eines IGBTTreibers beachtet werden sollte
von Heinz Rüedi und Peter Köhli
Einleitung
Zur korrekten Auswahl und Dimensionierung von IGBT-Treibern treten oft Fragen oder
Unklarheiten auf. Teilweise ist dies durch die Spezifikationen der IGBTs selbst begründet.
Weit verbreitet ist so beispielsweise die Annahme, der in den IGBT-Datenblättern
angegebene Wert der Eingangskapazität Ciss entspreche der in der Anwendung
wirksamen Eingangskapazität. Und weil kaum jemand für die Auswahl eines Treibers so
viel Zeit aufwendet, wie für die Dimensionierung seiner Leistungsendstufe, ist schon der
eine oder andere, ansonsten begabte Entwickler, in diese Falle getappt...
Für die leistungsmässig korrekte Dimensionierung einer Ansteuerschaltung hat sich das
Vorgehen bewährt, welches im folgenden beschrieben ist.
Bestimmen von Gateladung und Gatekapazität bei IGBTs
Der wichtigste Parameter, welcher für eine leistungsmässig korrekte Dimensionierung des
Treibers bekannt sein muss, ist die Gateladung. Nun steht dieser Parameter teilweise gar
nicht im Datenblatt der IGBTs oder es ist nicht klar spezifiziert, unter welchen
Bedingungen (bei welchem Spannungshub am Gate) diese Ladung gilt.
Die Gateladung kann aber relativ einfach durch eine Messung bestimmt werden. Dabei
wird der IGBT mit einem Treiber angesteuert. Am besten wird dies mit dem eigentlich
vorgesehenen Treiber durchgeführt. Zumindest sollte die Schaltung aber die in der
Anwendung gewünschten Gatespannungen (zum Beispiel ±15V) generieren können.
Dabei kann die Messung vorerst ohne Spannung im Lastkreis erfolgen.
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Die Messung ohne Spannung im Lastkreis ist in der Regel genügend genau. Da die
Gateladung mit der Kollektorspannung geringfügig zunimmt, sollte für eine ganz präzise
Bestimmung die Messung so erfolgen, indem am Kollektor auch die in der Anwendung
vorhandene Spannung geschaltet wird.
Die Gateladung berechnet sich aus der Formel Q = ∫ idt = C • ∆U
Für die Bestimmung von Q wird der Gatestrom gemessen und (am einfachsten mit dem
Oszilloskop) integriert. Bei der Messung kann gleichzeitig der Spannungshub DU
(Treiber- oder Gatespannung) auf dem Oszilloskop abgebildet werden (siehe Abb. 1).
Jetzt kann mit der Formel CIN =
Q
die wirksame Eingangskapazität berechnet werden.
∆U
Anmerkung: Wir nennen die in der Anwendung wirksame und für die Auslegung eines
Treibers relevante Eingangskapazität in dieser Applikationsschrift C IN.
Hinweis zu Ciss und Faustformel zur Umrechnung
Der in den Datenblättern angegebene Wert Ciss stellt für die Applikation keine
pratikable Grösse dar. Dieser Wert wird mit einer Messbrücke gemessen. Die dabei
verwendete Messpannung ist zu klein, um die Gate-Schwellspannung (gate threshold
voltage) zu erreichen, somit bleiben die beim Schalten auftretenden Rückwirkungseffekte
(Millereffekte) bei dieser Spezifikation unberücksichtigt. Dazu wird bei dieser
Messanordnung am Kollektor eine Spannung von 25V angelegt. Bei dieser Spannung
sind die Kapazitäten kleiner als bei Vce=0V. Der Wert Ciss kann also nur für einen
direkten Vergleich von IGBTs verwendet werden.
Als Faustformel kann nach unserer Erfahrung für IGBTs von SIEMENS und EUPEC mit
ausreichender Genauigkeit folgende Umrechnung für die Eingangskapazität angewendet
werden:
CIN @ 5 • Ciss
Der Wert Ciss kann dem Datenblatt entnommen werden.
Berechnung der Ansteuerleistung
Die gespeicherte Energie in der Eingangskapazität berechnet sich:
W = ½ CIN • DU
2
Zu Beachten: DU ist der gesamte Spannungshub am Gate, also 30V bei ±15V
Ansteuerung.
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Da das Gate mit jedem Taktimpuls zweimal umgeladen wird, lässt sich die Leistung,
welche benötigt wird, um einen IGBT anzusteuern, wie folgt berechnen:
Wenn CIN nach der weiter vorne genannten Faustformel mit CIN @ 5 • Ciss angenommen
wurde:
P = f • CIN • DU
2
Oder präziser, wenn vorher die Gateladung messtechnisch bestimmt wurde:
P = f • Q • DU
Diese Leistung muss also pro IGBT von einem Treiber aufgebracht werden, um diesen
anzusteuern. Das Gate des IGBTs selber wird praktisch ohne Verluste umgeladen, die
Verluste fallen in den externen oder internen (im IGBT-Modul- oder IGBT-Chip
integrierten) Gatewiderständen an. Somit ist die Baugrösse der Gatewiderstände hier
gleichzeitig gegeben.
Hinweis: Es muss beachtet werden, dass die berechnete Leistung die eigentliche NettoAnsteuerleistung darstellt. In der Treiberschaltung und in der Spannungsversorgung des
Treibers fallen weitere Verluste an. Bei intelligenten Treibern von CONCEPT wird die
Leistung am Ausgang des integrierten DC/DC-Wandlers angegeben. Bei den
Halbbrücken-Treibern ist die gesamte Wandlerleistung angegeben, somit steht pro Kanal
noch die Hälfte der angegebenen Ausgangsleistung zur Verfügung. Hiervon muss noch
die Leistungsaufnahme der Treiberelektronik gedeckt werden. Diese setzt sich zusammen
aus dem Eigenverbrauch des Treibers (konstanter, statischer Anteil) und den Verlusten in
der Treiber-Endstufe (anwendungsabhängiger Anteil). Es ist also ratsam, die
Treiberleistung nicht zu allzu knapp zu wählen. Bei schwierigen Designs kann auf die
Dienstleistungen von CONCEPT zurückgegriffen werden (siehe Abschnitt „Weitere
Unterstützung“).
Der statische Eigenverbrauch der Treiber beträgt:
IHD215/280/680 pro Kanal ca
IHD580Fx pro Kanal ca
IGD608/615Ax total ca
IGD508/515Ex (ohne LWL-Bauteile) ca
0,4W
0,8W
0,5W
0,5W
Bei den IGD508/515 ist der Eigenverbrauch der LWL-Sender und –Empfänger
zusätzlich in die Kalkulation mit aufzunehmen. Da auch die 5V-Versorgung für den LWLEmpfänger mittels eines Linearreglers aus der internen 16V-Versorgung abgeleitet wird,
ist die Stromaufnahme des Empfängers mit 16V und nicht mit 5V zu multiplizieren.
Eine Messung des Eigenverbrauchs eines Treiberkanals kann wie folgt durchgeführt
werden: Die eingangsseitige Spannungsversorgung (vor dem DC/DC-Wandler) wird
abgeschaltet. Anstelle dessen erfolgt die 16V-Versorgung direkt auf die Pins Cs und
COM (am sekundärseitigen Abblockkondensator). Am in die Zuleitung eingeführten
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Amperemeter kann nun direkt die Stromaufnahme des Treibers im statischen Zustand
(ohne Taktimpulse am Eingang) sowie auch den Verbrauch mit der gewünschten
Taktfrequenz abgelesen werden.
Eine Kontrolle der Leistungsaufnahme sollte analog der im Absatz „Auswahl des
passenden Treibers“ beschriebenen Ueberprüfung der Eingangsstromaufnahme erfolgen.
Berechnung des Gatestromes
Der maximale Ausgangsstrom des Treibers muss gleich oder grösser sein als der
∆U
maximale Gatestrom, welcher mit IG max =
berechnet werden kann.
RG (min)
Zu Beachten: DU ist der gesamte Spannungshub am Gate, also 30V bei ±15V
Ansteuerung, RG(min) ist der kleinste Wert des Gatewiderstandes, wenn unterschiedliche
Gatewiderstände für das Ein- und Ausschalten verwendet werden.
Hinweis: Verschiedene IGBTs enthalten bereits im Modul oder im Chip integrierte
Gatewiderstände (zB. SIEMENS IGBTs der 2. Generation und auch die EUPEC IHMModule). Dies ist bei der Berechnung des Gatestromes zu berücksichtigen.
Auswahl des passenden Treibers
Bei der Auswahl eines leistungsmässig geeigneten Treibers müssen folgende Punkte
beachtet werden:
1) Der Treiber muss die benötigte Leistung abgeben können.
2) Der maximale Ausgangsstrom des Treibers muss gleich oder grösser sein als
der maximale Gatestrom.
Der Eingangsstrom darf die im Datenblatt angegebene maximale Stromaufnahme des
Treibers nicht oder zumindest nicht repetitiv überschreiten. Dies ist insbesondere bei
hohen Gatekapazitäten (Parallelschaltungen) und bei relativ tiefen Taktfrequenzen zu
beachten und zu überprüfen. Dasselbe gilt bei intermittierenden Pulspaketen. In beiden
Fällen ist die mittlere Stromaufnahme – gemessen mit einem Amperemeter – zwar
geringer als der Datenblattwert, der grössere Effektivwert des Eingangsstromes kann
aber dennoch zu einer Ueberlastung des DC/DC-Wandlers im Treiber führen . Für die
Ueberprüfung soll die Strommessung mit einer DC-Stromprobe (oder einem Shunt) und
einem Oszilloskop zwischen dem eingangsseitigen Abblockkondensator und dem
Versorgungsspannungsanschluss des Treibers erfolgen.
Hinweis: Die Welligkeit des Eingangsstromes des Treibers, welche der integrierte
DC/DC-Wandler des Treibers übertragen muss, kann dadurch reduziert werden, indem
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die sekundärseitigen Abblockkondensatoren möglichst niederinduktiv und nah am
Treiber angeordnet werden und Typen mit möglichst niedrigem ESR gewählt werden.
Oder anders formuliert: Mit einem gut abgeblockten Treiber können grössere
Gatekapazitäten angesteuert werden.
Berechnungsbeispiel
Es soll ein geeigneter Treiber gefunden werden für ein 200A-IGBT Modul von SIEMENS
Typ BSM200GB120DN2, welches mit einer Taktfrequenz von 8kHz angesteuert werden
soll.
Als erstes wird die Gateladung durch eine Messung bestimmt (siehe Abb. 1).
Gatespannung 5V/Div
<-- 0V
DU=30V
2,9A--Gateladung = 300nAs/Div
Gatestrom 0,5A/Div
O SC4216
<-- 0A
t=1us/Div <-- 0nAs
Abb. 1 Gatespannung, Gatestrom und Gateladung mit BSM200GB120DN2
Aus der Messung (Abb. 1) können die beiden Werte Q und DU entnommen werden:
Q = 2150nAs
DU = 30V
Jetzt kann die Gatekapazität berechnet werden:
CIN =
2150nAs
Q
=
= 71,6nF
30V
∆U
Demnach ist die benötigte Treiberleistung:
P = f • Q • DU = 8kHz • 2150nAs • 30V = 0,516W
Jetzt werden die 0,4W Eigenverbrauch des Treibers addiert:
0,516W + 0,4W = 0,916W
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Die taktfrequenzabhängigen Verluste fallen bei 8kHz kaum ins Gewicht. Da ausserdem
die Gatespannungen mit knapp ±14V kleiner als die bei der Berechnung verwendeten
±15V sind, ist hier noch etwas Reserve gegeben.
Und der Gatestrom beträgt bei einem Gatewiderstand von 4,7Ω:
IG max =
∆U
30V
=
= 6,4 A
RG
4,6Ω
Der zu dieser Anwendung passende Treiber ist also der intelligente Halbbrücken-Treiber
IHD280 mit einer Wandlerleistung von 2W (pro Kanal 1W) und einem maximalen
Gatestrom von 8A.
Weitere Unterstützung
Für spezielle und schwierige Fälle kann CONCEPT eine kompetente und individuelle
Beratung und Unterstützung anbieten. Dazu sind neben den eigentlichen Fragen
möglichst präzise Angaben zur Schaltung, Topologie und Anwendung an CONCEPT zu
faxen.
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Hinweise zu den Applikationsschriften
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gedacht. Die Autoren können keine Gewähr für die Einhaltung der einschlägigen Normen und Vorschriften,
die Reproduzierbarkeit und das Langzeitverhalten der Applikationsbeispiele übernehmen. Dies liegt allein in
der Verantwortung des Anwenders.
Alle Schaltungen, technischen Angaben und Formelansätze in dieser Applikationsschrift wurden von den
Autoren mit Sorgfalt erarbeitet, zusammengestellt, teilweise im eigenen Labor erprobt, sowie unter Einhaltung
weiterer Kontrollmassnahmen reproduziert. Trotzdem können Fehler nicht ganz ausgeschlossen werden.
CONCEPT und die Autoren sehen sich deshalb gezwungen, darauf hinzuweisen, dass sie weder eine Garantie
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