DC/DC-Wandler Reinforced isolierte DC/DC-Wandler machen IGBT-Schalter zuverlässiger

Werden IGBT-Treiber über hochwertig isolierte DC/DC-Wandler versorgt, dann ist die Güte dieser Isolationsbarriere maßgebend für die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

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IGBTs werden in der Leistungselektronik bevorzugt als schnelle Schalter eingesetzt. Da sie meist auf hohem Potenzial floaten, ist die Qualität der Isolation zwischen Treiberelektronik und Spannungsversorgung von ausschlaggebender Bedeutung für die Zuverlässigkeit der gesamten Schaltung. Der Artikel beschreibt, welche Rolle dabei reinforced (durch vergrößerte Luft- und Kriechstrecken) isolierte DC/DC-Wandler spielen.

Die Erzeugung regenerativer Energie aus Wind und Sonne hat Priorität. Solarzellen liefern eine Gleichspannung, deren Höhe von der Intensität der Sonneneinstrahlung abhängt. Windräder erzeugen eine Wechselspannung, deren Frequenz von der Windgeschwindigkeit abhängt. Beides ist nicht geeignet, direkt ins Stromnetz eingespeist zu werden. Deshalb sind Umwege erforderlich, die in beiden Fällen über leistungsstarke, hoch effiziente Wechselrichter führen.

Standardschalter für die Leistungselektronik

IGBTs sind Bauteile, die sich wie MOSFETs nahezu stromlos ansteuern lassen und im durchgeschalteten Zustand wie bipolare Transistoren mit sehr niedriger Kollektor/Emitter- Spannung arbeiten. Sie sind damit ideal geeignet, hohe Spannungen und Ströme schnell und damit nahezu leistungslos zu schalten. Bei einem einfachen Wechselrichter werden zwei IGBT-Pärchen gegenphasig mit einem PWM-Signal angesteuert, dessen Frequenz bei mindestens 10 kHz liegt. Die Schaltflanken müssen sehr steil sein, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Weil nun die Steuersignale aber durch Mikrocontroller generiert werden, ist die Flankensteilheit zu gering, um IGBTs direkt ansteuern zu können. Deshalb ist es notwendig, geeignete IGBT-Treiber dazwischenzuschalten, die den Schaltvorgang auf Werte um 1000 V/µs beschleunigen. Weil die IGBTs auf hohem Potenzial floaten, muss darüber hinaus die potenzialgebundene Steuerlogik über Optokoppler abgetrennt werden. Aber damit nicht genug. Auch die Versorgungsspannung der Treiber (meist +15 V und -9 V) muss isoliert sein. Hierfür kommen DC/DC-Wandler zum Einsatz, die über eine entsprechend gute Isolation verfügen.

Der DC/DC-Wandler im Stresstest

Die Anforderung an die Isolationsspannung der DC/DC-Wandler erscheint auf den ersten Blick nicht sonderlich anspruchsvoll. Da die Wechselspannung in der Spitze 650 V nicht überschreitet, erscheint für den Wandler nach allgemein gültiger Formel eine Isolationsspannung von 2 kV_DC für 1 Sekunde völlig ausreichend. Aber das Thema ist wesentlich komplexer.

Die Isolation eines DC/DC-Wandlers und damit vornehmlich die Luft- und Kriechstrecken rund um den Trafo sind für 50 Hz spezifiziert. IGBT-Schalter arbeiten allerdings aus Gründen der höheren Effizienz meist mit Frequenzen deutlich größer 10 kHz, auch 300 kHz sind keine Seltenheit! Bei solchen Frequenzen aber verhalten sich elektromagnetische Komponenten und Materialien völlig anders. Die hohe Flankensteilheit setzt die Isolation des DC/DC-Wandlers zusätzlich unter Druck. Denn das extrem hohe dV/dt der Schaltflanken von rund 1000 V/µs sorgt, in Verbindung mit Koppelkapazitäten und weiteren in der Schaltung zwischen Leiterbahnen und Transformator verborgenen Kapazitäten, für Spannungsspitzen mit sehr hoher Amplitude. An dieser Stelle ist zu beachten, dass die Messtechnik nur unzuverlässige Resultate liefert. Wird nämlich der Tastkopf eines Oszilloskops angeschlossen, verändern sich die Gegebenheiten. Eine mit 2 kV gemessene Spannungsspitze ist durch den Tastkopf bereits gedämpft und kann in Wirklichkeit sehr viel höher sein.

Grenzwertige Belastungen führen auf Dauer zum Ausfall

Für die Berechnung solcher Spitzen gibt es keine Zauberformel, und dem Verhalten elektromagnetischer Materialien bei höheren Frequenzen ist rechnerisch nicht zuverlässig beizukommen. Deshalb ist ein Sicherheitspuffer sinnvoll, der auf Erfahrungswerten basiert. Und diese besagen, dass die Lebenserwartung einer IGBT-Schaltung umso höher ist, je besser die DC/DC-Wandler isoliert sind.

Isolation ist nicht gleich Isolation

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