Abbildung 1.
1. Einleitung
Die Optimierung der EMV-Eigenschaften eines Systems ist komplex, da zahlreiche Einflussfaktoren eine detaillierte Untersuchung erfordern.
So ist beispielsweise der Austausch einer Leistungseinheit oder Stufe einer USV, etwa durch Aufrüstung eines Leistungshalbleitermoduls, zeitaufwändig. Die vorliegende Studie beschränkt sich auf den Gate-Treiber und dessen Zielkonflikt zwischen dv/dt und insbesondere den Schaltverlusten. Durch die Analyse der Abhängigkeit des Schaltverhaltens, insbesondere von dv/dt, vom Gate-Widerstand einerseits und den IGBT-Verlusten, die stark von den Gate-Ansteuerbedingungen abhängen, andererseits lässt sich ein Zusammenhang zwischen den IGBT-Verlusten und dem potenziellen EMV-Verhalten herstellen. Die Untersuchungsergebnisse werden in einem Diagramm dargestellt, das die Schaltverluste, den Gate-Widerstand und die Schaltspannungsrate (dv/dt) zeigt.
Des Weiteren wird eine kompakte Evaluierungsplattform, das „Evaluierungsboard“, vorgestellt und mittels Thermografie analysiert. Diese Plattform umfasst den isolierten IGBT-Treiber und den DC/DC-Wandler für den Betrieb des 6-in-1-IGBT-Moduls, das mit einem modernen CSTBT™ und einer Freilaufdiode (FwDi) ausgestattet ist. Zunächst wurden Schaltversuche mit Mehrpulsgeneratoren unter den angenommenen Worst-Case-Bedingungen durchgeführt. Während die Schaltverluste im Allgemeinen bei hoher DC-Busspannung in Kombination mit hohem Kollektorstrom und hoher Sperrschichttemperatur des Prüflings höher sind, ist das dv/dt-Verhalten hingegen bei Umgebungstemperatur und niedrigen Strömen deutlich ausgeprägter. Anwendungen wie Motorsteuerungen und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sind im Betrieb all diesen unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt, beispielsweise vom Kaltstart bis zum Betrieb unter hoher Last mit den damit verbundenen hohen Sperrschichttemperaturen.
2. Prüfung der Konfiguration und Parameter
2.1 Verlustleistung im Anschluss (Eon)
Alle Messungen zur Charakterisierung der Verlustleistung im Anschluss wurden an einem 6-in-1 150 A/1200 V IGBT-Modul durchgeführt. Für die Verlustmessung wird nur eine Phase des Moduls benötigt. Die Testkonfiguration ist in Abbildung 1 dargestellt, die Testbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Die gemessenen Schaltenergien ergeben sich aus dem integrierten momentanen Leistungsverlust innerhalb der vorgegebenen Zeitgrenzen von 10 % des Schaltstroms und 10 % der angelegten Versorgungsspannung Vcc. Abbildung 2 zeigt diese Grenzen.
2.2 dv/dt-Messung
Die Erfassung der dv/dt-Informationen erfolgt an einem Spezifikationspunkt, an dem die höchsten dv/dt-Werte zu erwarten sind, wie bereits in der Einleitung erwähnt, beispielsweise bei niedrigen Strömen und vergleichsweise niedrigen Temperaturen.
Dieses Worst-Case-Szenario wurde mit 10 % des Nennstroms des IGBT und einer Zwischenkreisspannung von 600 VDC festgelegt. Tatsächlich würde der RBSOA des CSTBT™-Chipsatzes der sechsten Generation bis zu 850 V abdecken, jedoch wurde für viele Motorsteuerungsanwendungen ohne aktive Eingangsversorgung der Wert von 600 VDC gewählt. Alle Steuerbedingungen sind in Tabelle 2 dargestellt.
Die ursprünglich in Abbildung 1 dargestellte Testschaltung für die Einschaltleistung wurde modifiziert, um das Prüfobjekt nicht schwebend zu halten. Diese Modifikation des Testaufbaus ermöglicht es, das Oszilloskop auf einem stabilen, nicht schwebenden Potenzial zu halten. Der für die dv/dt-Messung verwendete Testaufbau ist in Abbildung 3 dargestellt.
3. Evaluierungsplattform
3.1 Design der Evaluierungsplatine
Diese Tests können mithilfe einer dedizierten Evaluierungsplatine (EVB) durchgeführt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Die in Abbildung 4 gezeigte 2-PCB-Lösung veranschaulicht den Aufbau dieser Evaluierungsplatine: Eine integrierte IGBT-Treiberschaltung mit Desaturierungserkennung befindet sich auf dem IGBT-Modul. Für jeden IGBT wird auf der zweiten Platine, die sich auf der Gate-Treiberplatine befindet, ein isolierter DC/DC-Wandler verwendet. Die Gate-Widerstände können aus dem gesamten empfohlenen Bereich der in diesem Gehäuse verfügbaren IGBTs ausgewählt werden. Der entwickelte DC/DC-Wandler deckt den gesamten Bereich der 6-in-1-IGBT-Module mit CSTBT™ der 6. Generation ab und berücksichtigt Schaltfrequenzen bis zu 20 kHz.
Abbildungen 2a und 2b: Integrationsintervall des Schaltverlustes als Folge der Zündschaltenergie (Eon).
Die Sicherheitstrennung zwischen den Steuereingängen und dem IGBT-Ausgang wurde durch den Optokoppler und die verstärkte Isolation des DC/DC-Wandlers erreicht.
3.2 Leiterplattendesign
Das Design dieser Evaluierungsplattform ist aufgrund von Platzbeschränkungen, die die erreichbaren Luft- und Kriechstrecken beeinflussen, von entscheidender Bedeutung. Wie in Abbildung 4 dargestellt, besteht die Evaluierungsplatine aus zwei übereinander montierten und mittels Stiftleisten verbundenen Leiterplatten.
Die Leiterplatte in der Nähe des IGBT-Moduls enthält die elektrische Isolation für die Eingangsstufe und die Gate-Treiberschaltung selbst. Die Leiterplatte oberhalb der Gate-Treiberschaltung enthält den DC/DC-Wandler, der die einzelnen Gate-Treiberschaltungen jedes Kanals mit Strom versorgt. Der geschätzte Stromverbrauch pro Kanal ergibt sich aus der (vergleichsweise geringen) Gate-Last des verwendeten CSTBT™ der 6. Generation bei den jeweiligen Gate-Spannungen für Ein- und Ausschalten sowie einem Bereich möglicher Schaltfrequenzen.
Berechnet man die erforderliche Gate-Treiber-Leistungsstufe für das größte verfügbare Modul in einer 6-in-1-Konfiguration (z. B. ein 150-A/1200-V-Bauteil) bei einer maximalen Schaltfrequenz von 15 kHz und einer positiven Vorspannung von 15 V sowie einer negativen Vorspannung von 8 V, ergibt sich ein Leistungsbedarf von ca. 1 W pro Treiberkanal.
Der in Gegentakt-Topologie implementierte DC/DC-Wandler wurde konservativ so ausgelegt, dass er 1,5 W pro Kanal des IGBT-Treibers liefert. Wie bereits erwähnt, ist es schwierig, ausreichende Luft- und Kriechstrecken zu realisieren. Trotz der geringen Oberfläche des IGBT-Gehäuses und der komplexen Pinbelegung lassen sich jedoch auf der IGBT-Treiberplatine Luft- und Kriechstrecken von ca. 5,5 mm erreichen. Die Auslegung des DC/DC-Wandlers birgt weitere Herausforderungen.
Abbildung 3.
Nachdem für die erste Prototyp-Evaluierungsplatine des DC/DC-Wandlers große EE-13,5-Kerne und vorwiegend drahtmontierte (THT) Bauteile ausgewählt wurden, war der erreichbare Luftabstand auf nur etwa 3,5 mm begrenzt. Eine zukünftige Überarbeitung dieser Platine zielt darauf ab, Luft- und Kriechstrecken von 5,5 mm oder mehr zu erreichen, um den Einsatz dieser Plattform in stark verschmutzten Umgebungen zu ermöglichen. Angesichts der hohen Leistung dieses Schaltnetzteils (SMPS) lassen sich die angestrebten Luft- und Kriechstrecken durch Anpassung der SMPS-Leistung und Auswahl kleinerer Ferritkerne sowie durch den Einsatz von SMD-Bauteilen zur Stabilisierung der positiven und negativen Vorspannungen der Gate-Treiber erreichen. Die DC/DC-Wandler-Leiterplatte enthält außerdem eine Schaltung zur Übertragung von Temperaturinformationen vom im IGBT-Modulgehäuse integrierten NTC-Thermistor über eine Sicherheitsbarriere zum Steuerpin-Header auf der Oberseite der Platine. Zusätzlich zur Bewertung der elektrischen Leistung wurde auch das thermische Verhalten des DC/DC-Wandlers analysiert.
Abbildung 4: EVBNX 6-in-1 und seine 2-PCB-Lösung. Unten: IGBT-Treiber, oben: DC/DC-Wandler
Abbildung 5: Zwei benachbarte IGBT-Controller auf der Controllerplatine und die Kriechstrecke.
Abbildung 6: Wärmebild des DC/DC-Wandlers
3.3 Elektrische und thermische Bewertung
Der DC/DC-Wandler und die Leistungsfähigkeit der Verluststufe des Reglers wurden während der Entwurfsphase mittels Simulation bewertet. Am ersten Prototyp wurden eine thermische Bewertung und Verifizierung durchgeführt, um die zuvor theoretischen Ergebnisse zu demonstrieren. Abbildung 6 zeigt ein Infrarotbild des DC/DC-Wandlers unter (Über-)Last, beispielsweise 1,5 W pro IGBT-Kanal bei Betrieb aller 6 Kanäle. Die Aufnahme erfolgte nach Erreichen des thermischen Gleichgewichts bei einer Umgebungstemperatur von 21 °C. Die gesamte Oberfläche war schwarz lackiert, wodurch ein gleichmäßiger Emissionsgrad von 0,99 für die gesamte Leiterplatte und die darauf montierten Bauteile gewährleistet wurde. Für diese Analyse wurden fünf Referenzpunkte ausgewählt (siehe Abbildung 5). Während die Ergebnisse unter maximaler Last für die thermische Bewertung relevanter sind, muss eine elektrische Bewertung eines Schaltnetzteils auch den gesamten Lastbereich, beispielsweise von 0 % bis 100 % (150 %) der Last, berücksichtigen, um die ausreichende Stabilität der Versorgungsspannung zu prüfen. Das Wärmebild zeigt, dass in dieser Testanordnung viele kleine Transformatoren parallel geschaltet sind, weshalb auch der Ausgleich der Sekundärspannungen berücksichtigt werden muss.
Die Regelung des Schaltnetzteils lieferte zufriedenstellende Ergebnisse mit geringen und akzeptablen Spannungsschwankungen über den gesamten Lastbereich. Die in Abbildung 6 dargestellte, recht heterogene Temperaturverteilung der Leiterplatte erfordert jedoch weitere Untersuchungen.
Der Referenzpunkt in Wärmebild Nr. 5, der am weitesten von den Wärmequellen entfernte Punkt, enthält die Information über die Basistemperatur der Leiterplatte.
Abbildung 7: „Kompromiss“ zwischen Eon und dv/dt als Funktion des Gate-Widerstandsverlusts (basierend auf Messungen an Probe „ES“)
Die markierten Punkte sind den Nummern 1 bis 5 zugeordnet und entsprechen den folgenden Stufen des in Tabelle 3 aufgeführten DC/DC-Wandlers.
Der Referenzpunkt mit der höchsten Temperatur von 70,8 °C liegt 49,8 K über der Umgebungstemperatur.
Eine detailliertere Analyse der Bauteile mit den höchsten Verkapselungstemperaturen (siehe Abbildung 6) ist erforderlich. Die Berücksichtigung der Einzelverluste der markierten Bauteile und die Berechnung des internen Temperaturanstiegs anhand des jeweiligen Wärmewiderstands Rth(jc) ermöglichen eine Bewertung der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Designs. Die höchste Sperrschichttemperatur findet sich beispielsweise in Referenz 4, im Schaltkreis zur Stabilisierung der positiven Gate-Spannung.
In diesem Fall entspricht die höchste an der Oberfläche gemessene Temperatur der höchsten berechneten Sperrschichttemperatur. Die DC/DC-Wandlerlösung bietet ein thermisch stabiles Design, selbst bei etwa 1,5-facher Überlastung, und zeigt Spielraum auf, der für eine kompaktere Bauweise oder eine Erhöhung der maximal zulässigen Umgebungstemperatur der Testplattform genutzt werden könnte.
4. Ergebnisse
Die zusammengefassten Ergebnisse der Leistungsverlustmessungen (Eon) und der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (dv/dt) sind in Abbildung 7 dargestellt. Die Ergebnisse für dv/dt und Eon sind in dieser Abbildung gemeinsam dargestellt, wobei die Gate-Widerstandswerte als Parameter verwendet werden. Neben elektromagnetischen Störungen (EMI) beeinflusst dv/dt auch die Wicklungsalterung. EMI wird neben dem IGBT/FwDi und seiner Schaltgeschwindigkeit als Quelle auch durch Ausbreitungsmechanismen wie kapazitive Kopplung beeinflusst. Ein Upgrade des IGBT-Moduls bedeutet, dass die EMI/EMV-Ausbreitung im Wesentlichen unverändert bleibt, abgesehen von der internen Modulkonstruktion. Die neuen Module verwenden alle Aluminiumnitrid (AlN) als Substrat. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Kopplungskapazität zwischen den Footprints und den Kollektorseiten der Chips gegen Masse und erhöht die Substratdicke im Vergleich zu herkömmlichem Al₂O₃. Um die Ergebnisse des Eon-Vergleichs mit den dv/dt-Werten eines Standard-Industriemoduls ohne den neuen CSTBT™ der 6. Generation und FwDi zu vergleichen, sind die Ergebnisse auch in Abbildung 7 dargestellt. Im Vergleich dieser beiden Technologien bietet das Modul mit dem Chip der 6. Generation einen besseren Kompromiss zwischen dv/dt und Leistungsverlust an der jeweiligen Verbindung. Daher hält eine überlegene Chiplösung im Vergleich zu einer Standard-Industrielösung ein bestimmtes dv/dt-Niveau aufrecht. Der Bereich der dv/dt-Einstellungen in Wechselrichtern hängt von der endgültigen Anwendung der Leistungsstufen ab. Anwendungen mit einem dedizierten Ausgangsfilter arbeiten mit höheren dv/dt-Werten als Motorsteuerungsanwendungen.
Insbesondere bei Motorsteuerungsanwendungen sind typische dv/dt-Werte von weniger als 8 kV/s und im Allgemeinen viel näher an 4 kV/s zu beobachten.
5. Fazit
Die Untersuchung eines 6-in-1-IGBT-Moduls mit dem neuen getesteten Chipsatz und einem neuen FwDi hat im Vergleich zu früheren IGBT-Modulgenerationen eine überlegene Schaltdämpfung im Verhältnis zur dv/dt-Performance gezeigt.
Dieser verbesserte Kompromiss führt zu leistungsfähigeren Controllern und damit potenziell zu Kostenvorteilen durch reduzierten EMI-Filteraufwand.
Autor:
Marco Honsberg*, Thomas Radke*, Kazufumi Ishii**, Jokou Manotobu**
* Mitsubishi Electric Europe BV, Deutschland
** Mitsubishi Electric Corporation PDW, Fukuoka, Japan
6. Bibliographie
1. Yamada, M. Nakamura et al.: Die neueste Hochleistungs- und Hochzuverlässigkeits-IGBT-Technologie in neuen Gehäusen mit konventionellem Pin-Layout, PCIM 2003, S. 329–334.
2. M. Iwasaki, M. Seo, T. Iwagami, H. Sakata, M. Honsberg: „Ein neues Miniatur-DIPIPM-Gehäuse mit optimierter EMV-Leistung für Haushaltsgeräte“, PCIM Europe 2001.
3. T. Ohi et al.: Neuartige Überstromschutzverfahren für IGBT-Treiber mittels Gate-Spannungsüberwachung, EPE 2003.
4. Lawrence. Curran: Schaltnetzteile, EDN, S. 19–23, Februar 2001.
5. Mark I. Montrose: Leiterplatten-Designtechniken für EMV-Konformität, Wiley-IEEE Press Series on Electronics, Juni. 6. Skuriat, R., Johnson, CM: Thermische Leistung von Basisplatten- und direkt substratgekühlten Leistungsmodulen, 4. IET-Konferenz über Leistungselektronik, PEMD, York, 2008.
