Reduzierung der Schaltverlustleistung bei hochsperrenden IGBTs
Final Report Abstract
Moderne IGBTs dringen aufgrund ihrer Entwicklung zunehmend in die Bereiche hoher Spannungen und Ströme vor. Durch den Einsatz von IGBTs mit einer Sperrspannung von bis zu 6,5 kV lassen sich Schaltungstopologien im Bereich der Mittelspannungsebene stark vereinfachen und daher kostengünstig aufbauen. Mögliche Anwendungen sind hier Walzwerks-, Traktions- und Schiffsantriebe, sowie Anlagen für die Elektrolyse. Mit der Erhöhung der Schaltleistung ist ein überproportionaler Anstieg der Verluste verbunden. Die Schaltverluste, die zur Erwärmung der verwendeten Halbleiter führen, stellen insbesondere beim Bau von Umrichtem mit hoher Ausgangsleistung ein entscheidendes Kriterium dar. Auf der einen Seite möchte man daher so schnell wie möglich schalten, um die Verluste auf ein Minimum zu reduzieren, andererseits wird dadurch das Gesamtsystem Umrichter-Maschine jedoch verhältnismäßig stark belastet. Ursache dafür ist, dass durch die hohen Gradienten von Strom und Spannung Sekundäreffekte, wie zum Beispiel die Ausbreitung von Wanderwellen auf der Motorzuleitung oder die Entwicklung von Lagerströmen, begünstigt wird. Der Anwender ist demnach gezwungen, einen Kompromiss zwischen den Schaltverlusten und unerwünschten Nebeneffekten einzugehen. Der dynamische Zustand von MOS-gesteuerten Halbleitern wird durch die während des Schaltvorganges zugeführte Gateladung bestimmt. Eine Begrenzung der Gradienten von Strom und Spannung erfolgt im einfachsten Fall durch einen Vorwiderstand in der Gate-Zuleitung. Die Schaltgeschwindigkeit wird dabei jedoch für den gesamten Schaltvorgang reduziert, wodurch der Hableiter unnötig lange im aktiven Bereich seiner Kennlinie befrieben wird. Im Zuge des Projektes wurde als Alternative eine Treiberstufe entwickelt, die die Ansteuerung von Hochspannungs-IGBTs (Eupec FZ60ÖR65KFI_S2) über optimierte Gatestromprofile ermöglicht. Dabei werden die Gradienten von Strom und Spannung entkoppelt und lassen sich unabhängig voneinander einstellen. Darüber hinaus wurden anhand von Referenzmessungen Steuerprofile ermittelt, mit denen es möglich ist, den IGBT so anzusteuern, dass sich Schaltflanken mit konstanten Gradienten einstellen. Die Steuerprofile sind wegen der hohen zeitlichen Anfordenrugen in einem Speicher, der sich auf der Ansteuerkarte befindet, abgelegt. Die gespeicherten Werte werden mit einem Systemtakt von bis zu 20 MHz ausgelesen und mit einem schnellen Analog- Digitalwandler in ein zeitkontinuierliches Referenzsignal umgesetzt. Mit Hilfe eines sehr schnellen Operationsverstärkers, der um eine bipolare Leistungsendstufe erweitert ist, wird das gewünschte Steuerprofil mit dem gewünschten Signal-Zeit-Verlauf in das Gate des IGBTs eingeprägt. Durch Steckverbinder kann man auswählen, ob man ein Spannungs- oder ein Stromprofil einprägen will. Wird weder der Gatesfrom noch die Gatespannung zurückgekoppelt, kann man den Gatestrom in konventioneller Art über einen Gatewiderstand begrenzen. Um das Schaltverhalten der HV-IGBT untersuchen zu können, wurde ein Prüfstand in Form einer Halbbrückenschaltung aufgebaut. Die Elemente des Lastkreises sind in niederinduktiver Bauweise miteinander verbunden. Die parasitäre Streuinduktivität des Aufbaus wurde zunächst durch Berechnungen abgeschätzt und anschließend anhand von verschiedenen Messverfahren verifiziert. Mit dem Prüfstand war es möglich, Schaltverhalten der 6,5 kV-IGBTs bei unterschiedlichen Gatewiderständen zu untersucht. Während des Einschaltens wurden Gatewiderstände zwischen 4,6 Q und 15 Q eingesetzt. Durch die Reduktion der Schaltgeschwindigkeit wird dabei der Stromgradient stufenweise von 3000 A/ps auf 1600 A/ps und der Gradient der Kollektor-Emitter-Spannung von 2500 V/ps auf 1000 V/ps herabgesetzt. Gleichzeitig steigt jedoch die Schaltverlustenergie von 3,1 Ws auf mehr als den doppelten Wert von 6,3 Ws an. Auf ähnliche Weise wird das Abschaltverhalten durch den Gatewiderstand, der hierbei von 6,8 Q auf 56 Q erhöht wurde, beeinflusst. Während der Spannungsgradient dadurch zwischen 3600 V/ps und 1200 V/ps eingestellt werden kann, wird der Sfromgradient in diesem Fall nur unwesentlich von der Ansteuerung beeinflusst. Im Vergleich zur Ansteuerung über Widerstand können die Gradienten von Strom und Spannung separat eingestellt werden. Stellt man beispielsweise den Stromgradient auf 2000 A/ps ein, lässt sich der Spannungsgradient unabhängig davon einstellen. Je nach gewählter Spannungssteilheh variieren die Schaltverluste. Es ergeben sich Schaltverluste von 3,1 Ws bei einem du/dt von 2 kV/ps bis zu mehr als 5 Ws bei geringen Spannungssteilheiten von < I kV/ps. Im Vergleich dazu ergeben sich bei dem gewählten Gatewiderstand von 10 Q eine Schaltleistung von 4,9 Ws und ein maximaler Spannungsgradient von 1,8 kV. Die Abschaltverlliste werden im Wesentlichen von der Anstiegszeit der Kollektor-Spannung bestimmt. Da im Falle der Profilanteuerung die Spannung konstant und nicht exponentiell ansteigt, ist die Zeit, in der der Halbleiter im aktiven Bereich betrieben wird, auf ein Minimum reduziert. 1st beispielsweise ein maximaler Gradient von 1,25 kV/ps erlaubt, lassen sich die Abschaltverluste um mehr als 20 % von 5,1 Ws auf 3,9 Ws reduzieren. Mit steigendem Gradienten verringert sich der Vorteil der Steuerprofile in Bezug auf die Schaltverluste, da sich die Leistungskurven bei den verschiedenen Ansteuermethoden zunehmend gleichen.
