Robuste Transistorschaltungen mit IGBTs und SiC-MOSFETs
05.02.2019
Dieses Whitepaper enthält einige Designrichtlinien und Ratschläge, wie Fehlerursachen zu reduzieren und das Desgin zu vereinfachen - mit Anwendungsbeispielen für ein besseres Verständnis.
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Design von robusten Transistorschaltungen mit IGBTs und SiC-MOSFETs
Bei der Evaluierung neuer Schalttransistor-Schaltungen werden häufig nur die Transistorspezifikationen berücksichtigt. Ein entscheidender Faktor, der die Robustheit des Gesamtdesigns beeinflusst, ist jedoch die Treiberschaltung. Um den Einfluss der Treiberparameter besser zu verstehen, betrachten wir zunächst die idealen Bedingungen anhand eines IGBT-Transistors (IKW20N60H3).
Laut Datenblatt des Transistors bei 25°C gelten folgende Parameter:
Gate-Emitter-Spannungsschwelle = 4,1V - 5,7V
Basierend auf diesen Werten ist eine Gate-Treiberversorgung von +15V relativ zu GND ausreichend. Unter idealen Bedingungen würde die entsprechende Treiberschaltung folgendermaßen aussehen:
Abb. 1: Einfache Gate-Treiberschaltung für einen idealen IGBT
Sieht ziemlich einfach aus! Bedenkt man jedoch die parasitären Elemente, wird das reale Modell komplexer:
Abb. 2: Realistische Gate-Treiberschaltung einschl. der IGBT-Störkomponenten
Berücksichtigt man nun, dass auch die Gate-Emitter-Schwelle über den Temperaturbereich variiert, wird deutlich, dass die Schwellenspannung mit steigender Temperatur erheblich abnimmt (mehrere mV/K) und im ungünstigsten Fall deutlich unter den typischen Minimalwert von 4,1V bei 25°C fallen kann.
Abb. 3: Änderung der Gate-Emitter-Schwellenspannung bei Temperaturwechsel
Die Treiberschaltung muss so ausgelegt sein, dass ein ungewolltes Einschalten unter allen Betriebsbedingungen verhindert wird. Andernfalls kann es zu Nebenschlüssen oder sogar Kurzschlüssen kommen, was sich in erhöhten Verlusten, stärkerer Bauteilbelastung, verkürzter Lebensdauer, verschlechterter EMV-Performance und im Extremfall in der Zerstörung des Transistors äußern kann.
Im Wesentlichen gibt es zwei Arten von unerwünschten Einschaltvorgängen:
Unerwünschtes Einschalten durch Wirkung der Miller-Kapazität (Creverse)
Unerwünschtes Einschalten durch Wirkung der parasitären Induktivitäten (Lgate and Lemitter).
Laut Datenblatt des Transistors bei 25°C gelten folgende Parameter:
Vge max = ± 20V
Gate-Emitter-Spannungsschwelle = 4,1V - 5,7V
Basierend auf diesen Werten ist eine Gate-Treiberversorgung von +15V relativ zu GND ausreichend. Unter idealen Bedingungen würde die entsprechende Treiberschaltung folgendermaßen aussehen:
Abb. 1: Einfache Gate-Treiberschaltung für einen idealen IGBT
Sieht ziemlich einfach aus! Bedenkt man jedoch die parasitären Elemente, wird das reale Modell komplexer:
Abb. 2: Realistische Gate-Treiberschaltung einschl. der IGBT-Störkomponenten
Berücksichtigt man nun, dass auch die Gate-Emitter-Schwelle über den Temperaturbereich variiert, wird deutlich, dass die Schwellenspannung mit steigender Temperatur erheblich abnimmt (mehrere mV/K) und im ungünstigsten Fall deutlich unter den typischen Minimalwert von 4,1V bei 25°C fallen kann.
Abb. 3: Änderung der Gate-Emitter-Schwellenspannung bei Temperaturwechsel
Die Treiberschaltung muss so ausgelegt sein, dass ein ungewolltes Einschalten unter allen Betriebsbedingungen verhindert wird. Andernfalls kann es zu Nebenschlüssen oder sogar Kurzschlüssen kommen, was sich in erhöhten Verlusten, stärkerer Bauteilbelastung, verkürzter Lebensdauer, verschlechterter EMV-Performance und im Extremfall in der Zerstörung des Transistors äußern kann.
Im Wesentlichen gibt es zwei Arten von unerwünschten Einschaltvorgängen:
Unerwünschtes Einschalten durch Wirkung der Miller-Kapazität (Creverse)
Unerwünschtes Einschalten durch Wirkung der parasitären Induktivitäten (Lgate and Lemitter).
Unerwünschtes Einschalten infolge der Miller-Kapazität
Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung ansteigt – entweder wenn der Low-Side-IGBT abgeschaltet wird oder während des Betriebs in einer Brückenschaltung – schaltet der High-Side-IGBT ein, und der Strom fließt durch die antiparallele Diode. In diesem Vorgang muss die Miller-Kapazität, Creverse, aufgeladen werden.
Der Ladestrom der Miller-Kapazität kann wie folgt berechnet werden:
Die Miller-Kapazität wird in den meisten Transistor-Datenblättern aufgeführt; jedoch handelt es sich dabei in der Regel nur um einen groben Richtwert. Der Wert von Creverse ist stark spannungsabhängig und variiert zudem mit Temperatur und Strom. Da die meisten Datenblätter die Miller-Kapazität nur unter idealisierten Bedingungen angeben, wird dringend empfohlen, diesen Wert unter realen Betriebsbedingungen zu messen. Die folgende Grafik zeigt die Auswirkung von VCE auf die Sperrkapazität:
Abb. 4: Variation von Creverse mit VCE in einem IGBT (IKW20N60H3)
Die zusätzliche kapazitive Last von Creverse stellt für die meisten Treiberschaltungen kein Problem dar; sie wird erst dann kritisch, wenn auch die Eingangskapazität Cinput durch den durch Creverse fließenden Strom so weit aufgeladen wird, dass der Transistor erneut einschaltet.
Der Ladestrom von CInput kann aus dem folgenden ...
Der Ladestrom der Miller-Kapazität kann wie folgt berechnet werden:
Abb. 4: Variation von Creverse mit VCE in einem IGBT (IKW20N60H3)
Die zusätzliche kapazitive Last von Creverse stellt für die meisten Treiberschaltungen kein Problem dar; sie wird erst dann kritisch, wenn auch die Eingangskapazität Cinput durch den durch Creverse fließenden Strom so weit aufgeladen wird, dass der Transistor erneut einschaltet.
Der Ladestrom von CInput kann aus dem folgenden ...
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