Drei Alternativen für geringe Strom- und Leistungsverluste

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Die Implementierung des Leistungsbaustein in das Design

1200-VIGBTs sind in netzverbundenen Solar- oder USV-Wechselrichtern verbreitet, die einen 3-Phasen-Wechselrichter verwenden, bei dem ausgangsseitige Spulen und Kondensatoren den abschließenden Ausgang bilden. Die Busspannung der Wechselrichter beträgt im Normalfall +/-400 V_dc, weil sie niedriger sein muss als die Durchbruchsspannung der IGBTs. Die normalen Schaltfrequenzen liegen im Bereich von 20 kHz.

Deshalb stellen die 1200-V-FS-Trench-IGBTs die ideale Wahl für diese Anwendungen dar, bei denen eine ausreichende Spannungsreserve vorhanden ist, um die Überspannung während Übergangsbedingungen zu verarbeiten.

Bild 5 zeigt das grundsätzliche Schaltschemata sowie die IGBT-Wellenform eines 3-phasigen Sinuswellen-Wechselrichters.

Bei einem 3-Phasen-Wechselrichter leistet jeder IGBT und jede Co-Pack-Diode einen Beitrag zu den Gesamtverlusten.

IGBT-Leistungsverluste=1/T∑[(Vce x Ice)+Eon+Eoff]

Dioden-Leistungsverluste=1/T∑[(Vf x If)+Err]

Die Gleichungen berechnen die Leitungs- und Schaltenergieverluste des IGBT und der Diode bei jedem Schaltzyklus. Die Leistungsverluste des IGBT und der Diode ergeben sich aus der Summe der Energieverluste über eine Periode (T).

V_ce, V_f, E_on, E_off und E_rr bezüglich des Stroms können den IGBT-Datenblättern entnommen werden. Genauere Werte erhält man, sobald das System gebaut ist, durch Messung der Parameter der implementierten Schaltung. Das kann möglicherweise viel Zeit beanspruchen. Deshalb stellen die Datenblatt-Parameter immer einen guten Ausgangspunkt für die Schätzung der Verluste im Wechselrichter dar.

Zum Beispiel soll ein 3-Phasen-Brückenwechselrichter mit folgenden Spezifikationen entwickelt werden: V_dc=+/-400 V_dc, V_out=230 V_eff, F_sw=20 kHz. Der IRG7PSH50UD wurde gewählt um zu zeigen, wie die Leistungsverlustgleichungen auf einem einfachen Tabellenkalkulationsprogramm implementiert werden können.

Bild 6 zeigt das Ergebnis der Berechnung, wobei der Ausgangsstrom zwischen 10 A_eff und 50 A_eff schwankt.

Es ist festzustellen, dass der 1200-V-U-IGBT die Leitungs- und Schaltverluste ausgeglichen hat, die bei der Entwicklung eines bei 20 kHz optimierten Systems ideal sind. Auch der Beitrag der Diodenverluste ist nicht unbeträchtlich. Der geringe Spannungsabfall (V_f) und die niedrige Reverse-Recovery-Energie (E_rr) der Co-pack-Diode sind wichtige Parameter bei der Entwicklung eines Hochfrequenz-Wechselrichters.

Fazit: 1200-V-Field-Stop-Trench-IGBTs der Generation 7 bieten durch Verminderung von V_ceon, Abfallzeit und Tail-Strom einen hervorragenden Ausgleich der Leitungs- und Schaltverluste. Mithilfe der im gleichen Gehäuse untergebrachten Dioden mit niedrigem Q_rr wird die Verlustleistung noch weiter reduziert. Wie dargelegt wurde, stehen drei Arten von IGBTs zur Verfügung: U oder Ultrafast ohne Kurzschlussfestigkeit, K10 mit einer Kurzschlussfestigkeit von 10 µs sowie der Typ SFM für lötbares Front Metal, bei dem keine Bonddrähte zur Montage benötigt werden. Diese Generation steht Ingenieuren, die industrielle Power-Module entwickeln, sowohl in diskreten Ausführungen im Kunststoffgehäuse als auch in Wafer-Form zur Verfügung.

* * Wibawa Chou, Llewellyn Vaughan-Edmunds ... arbeiten als Applications Manager bzw. IGBT Product Marketing Manager bei International Rectifier in El Segundo, Kalifornien

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Datenblätter und Online-Tool zur Selektion der IGBTs von International Rectifier

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