Was bei Auswahl und Einsatz eines IGBT-Treibers zu beachten ist

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Die Alternative zum diskreten Aufbau eines Treibers

Die Umsetzung der zuvor beschriebenen Anforderungen in ein diskretes Treiberdesign ist aufwendig und fehleranfällig. Außerdem fordert die Entwicklung Erfahrung und Zeit. Des Weiteren sind beim Layout und bei den Komponenten die Luft- und Kriechstrecken einzuhalten und Maßnahmen zur Minimierung von Störeinkopplungen einzuflechten. Das Leiterplatten-Layout sollte symmetrisch aufgebaut sein und es sollten sich keine Flächen mit unterschiedlichen Potenzialen überdecken, um die Koppelkapazitäten zu vermindern.

Das Schweizer Unternehmen CONCEPT hat aufgrund jahrelanger Erfahrung mit diskreten Treiberschaltungen ASIC-Bausteine entwickelt und bietet hochintegrierte Lösungen für unterschiedliche Treiberanforderungen. Die SCALE-2 genannten Gate-Treiber (Scaleable, Compact, All-purpose, Low-cost and Easy-to-use) sind für die IGBT-Module aller Hersteller einsetzbar.

Die Kernkompetenz liegt in den ASICs auf Basis von High-Voltage-Mixed-Signal-CMOS-Technologie und dem Transformator für die galvanische Trennung und Signalübertragung. Die Integration von Schaltkreisen in ASICs ermöglicht das Design von kompakten und zuverlässigen Treibersystemen. Die Anzahl der Bauteile verringert sich um bis zu 95% gegenüber einem diskreten Aufbau. Da weniger Bauteile ausfallen können, erhöht sich die Zuverlässigkeit deutlich. Die Verwendung gleicher ASICs in den verschiedenen Treiberplattformen macht diese Fertiglösung darüber hinaus preislich attraktiv.

Am Beispiel des Zweikanal-Gate-Treibers wird der kompakte Aufbau deutlich (Bild 2): Hier sind Trafoblock und ASICs (LDI; Logic to Driver Interface und IGD; Intelligent Gate Driver) gekennzeichnet. Die galvanische Isolation kann über verschiedene Arten realisiert werden. CONCEPT nutzt Transformatorbauformen wie Ringkern- und Planar-Trafos. Erstere sind durch flexiblen Formfaktor, Robustheit und Kapselung charakterisiert, zweitere durch hohe Leistungsdichte, geringe Abmessungen und geringe Streuinduktivität.

In Bild 3 ist ein Prinzip-Schaltbild des Zweikanal-Gate-Treibers dargestellt, aus dem der innere Aufbau des Transformators deutlich wird. Die galvanische Trennung setzt sich aus zwei Pulstransformatoren für die Treiberkanäle und einem Transformator für die DC/DC-Wandlung zusammen. Die Trafos haben Wicklungen auf Ringkernen und sind in ein Gehäuse integriert.

Dieses Konzept bietet sich für die Übertragung von Steuersignalen für Eingangs-, Ausgangs- und bidirektionale Feedbacksignale an. Der abgebildete Pulstransformator erfüllt die Anforderungen der Energieübertragung und galvanischen Isolation zugleich. Der optimierte Aufbau und die Wickelmethoden minimiert Störeffekte wie Interferenz und Koppelkapazität. Zudem ist eine hohe Übertragungsrate garantiert. Gegenüber einem Optokoppler bietet der verwendete Pulstransformator geringe Verzögerungen von <10 ns mit einer Toleranz von +-1 ns und ist deutlich alterungsbeständiger. Falls die geforderten Kriech- und Luftstrecken bei höheren Sperrspannungen die Dimensionen des Trafos übersteigen, bietet sich die optische Kopplung an.

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