Der richtige Kurzschlussschutz erhöht die Sicherheit von Invertern

IGBT-Treiberschaltungen Der richtige Kurzschlussschutz erhöht die Sicherheit von Invertern

02.09.2015

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In Wechselrichtern ist der IGBT-Kurzschlussschutz entscheidend. Neue Treiberschaltungen sind bereits damit ausgestattet und helfen, preissensitive Systeme mittlerer Leistung effizienter umzusetzen.

Bild 1: Überlaststrom kann eine fehlerhafte Verbindung oder Schäden verursachen.
(Bild: Toshiba)

Forderungen nach einem höheren Wirkungsgrad und mehr Wirtschaftlichkeit durch Automatisierung in der Industrie sorgen für den Einsatz fortschrittlicher Treiber und Steuerungen in immer mehr kostengünstigen Anwendungen mit mittlerem Leistungsbedarf.

Dazu zählen HVAC-Übertragung, einfache Antriebe und Robotersysteme, Schweißgeräte, Solar- und Windkraftanlagen und energiesparende Geräte.

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Bild 2: Stromwandler erkennen Überlastströme.

Bild 3: Entsättigungserkennung durch Überwachung der IGBT-Kollektor-Emitter-Spannung.

Bild 4: Kurzschluss aufgrund ungewollten Einschaltens eines IGBT.

Bild 5: IGBT-Gate-Ansteuerung und Schutz mittels herkömmlicher Treiber-Koppler und diskreter  Bauelemente.

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Neue intelligente Treiber, die wichtige Funktionen bereits integrieren, anstatt sie auf Modulebene hinzuzufügen, tragen dazu bei, die Systemkosten und die Baugröße zu verringern. Dazu gehört beispielsweise der IGBT-Schutz.

Wechselrichter können verschiedenen Gefahren ausgesetzt sein, bei denen die IGBTs Schaden nehmen. Bei einem Kurzschluss muss der Überstrom erkannt und der Transistor innerhalb der durch den IGBT-Hersteller angegebenen Haltezeit abgeschaltet werden.

Diese Zeitspanne beträgt meist 10 µs. Ein sanftes Abschalten des Bausteins ist wünschenswert, da eine schnelle Änderung des Kollektorstroms eine hohe Kollektor-Emitter-Spannung hervorrufen kann, die den Wert der Durchbruchspannung überschreitet. Fehler, die zu einem Kurzschluss führen, können auch in der Last auftreten.

Dazu zählen z.B. ein Kurzschluss zwischen den Motorphasen, der durch eine falsche Verdrahtung entsteht, oder eine fehlerhafte Isolation der Rotorwicklung. Ein lastseitiger Kurzschluss gegen Masse (Erdschluss) kann auch die IGBTs des Wechselrichters einem schädlichen Kurzschlussstrom aussetzen.

Ein ungewolltes Einschalten eines Wechselrichter-IGBTs aufgrund von Schaltstörungen durch die Miller-Kapazität kann zu einem Shoot-Through und schädlichen Kurzschlussströmen durch die oberen und unteren Bausteine im gleichen Wechselrichterzweig führen.

Diese Fehlermöglichkeiten sind bestens bekannt, und verschiedene Techniken erkennen diese Fehler und schützen IGBTs vor einer Beschädigung. Einige dieser Techniken sind jedoch sehr aufwändig, kompliziert und für die neue Generation integrierter, intelligenter Treiber nicht geeignet.