Der Schwerpunkt neuer, kommerziell verfügbarer Energietechnologien liegt heute auf der Photovoltaik (PV), die Sonnenenergie nutzt und in nutzbaren Strom umwandelt.
Abbildung 1 zeigt ein typisches Photovoltaik-System. In diesem System erzeugen Photovoltaik-Module aus Sonnenlicht Strom, der mittels eines Wechselrichters von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird. Der Wechselstrom wird dann in das Stromnetz eingespeist und an Haushalte oder Unternehmen verteilt oder mithilfe des Leistungsumwandlungssystems (auch als bidirektionaler Energiespeicher-Wechselrichter bekannt) zum Laden von Batterien verwendet. Das Leistungsumwandlungssystem liefert Energie entsprechend dem Gleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage.
In einem zentralen oder dezentralen Stromerzeugungssystem bildet der zentrale oder dezentrale Wechselrichter das Herzstück der Photovoltaikanlage. Das sichere und zuverlässige Ein- und Ausschalten der IGBT-Halbleiter-Vollbrücke ist der kritischste Aspekt der Systemauslegung und der wichtigste Faktor für die Zuverlässigkeit bei Investitionen in Hochspannungs-Gleichstromsysteme. Daher ist es unerlässlich, den zuverlässigen Betrieb der Steuerlogik sicherzustellen und die Isolationseigenschaften zwischen den einzelnen Überwachungssteuereinheiten bzw. sicherheitsrelevanten Stromkreisen bei der Auslegung der IGBT-Steuereinheiten zu maximieren.
Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für Wechselrichtersysteme. Typischerweise befindet sich am Eingang ein DC/DC-Wandler (PV60-27D1215), der Strom vom Gleichstromzwischenkreis abnimmt und in 24 V Gleichspannung umwandelt, um die Steuereinheit zu versorgen. Die Isolationsspannung dieses DC/DC-Wandlers muss mindestens 4000 V AC betragen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit zwischen dem Hochspannungszwischenkreis und der Steuereinheit zu gewährleisten. Die Antriebssystem-Isolationseinheit ist zwischen dem IGBT und der Systemsteuerplatine angeschlossen, daher muss die Antriebseinheit über hohe Isolationseigenschaften verfügen, um einen stabilen und zuverlässigen Betrieb des Hauptsteuerungssystems zu gewährleisten.
Welche spezifischen Anforderungen gelten für eine sichere und zuverlässige IGBT-Treiberplatine?
Die IGBT-Treiberschaltung dient primär der Isolation, Übertragung und Verstärkung des Steuerimpulssignals zur Ansteuerung der IGBT-Leistungselektronik und gewährleistet so einen zuverlässigen, stabilen und sicheren Betrieb. Bei der Entwicklung der IGBT-Steuerungsplatine sind folgende Anforderungen zu berücksichtigen:
a) In Wechselrichterantrieben verhindert die weit verbreitete IGBT-Vollbrückenschaltung effektiv das gleichzeitige Leiten der oberen und unteren Brücken-IGBTs sowie Kurzschlüsse im Wechselrichtersystem bei hohen und niedrigen Spannungen. Daher ist ein sicherer, zuverlässiger, störungsresistenter und präziser Logiktreiber-Chip unerlässlich.
b) Entsprechend den Betriebseigenschaften des IGBT muss der Sperrschichtkondensator (Cge) beim Ein- und Ausschalten des IGBT geladen bzw. entladen werden. Daher muss das DC/DC-Netzteil des Türantriebs über zwei asymmetrische Ausgangsspannungen (positiv und negativ) verfügen und die Anforderungen an das transiente Laden und Entladen der Sperrschichtkapazität erfüllen, um ein schnelles Ein- und Ausschalten des IGBT zu gewährleisten.
C) Bei der Umwandlung der hohen Gleichspannung in Wechselspannung erzeugt der IGBT während des schnellen Ein- und Ausschaltens hochfrequente Störsignale mit hoher Amplitude. Daher muss die Ansteuerschaltung eine hohe Störfestigkeit, eine hohe Isolationsspannung und eine geringe Isolationskapazität aufweisen, um einen zuverlässigen Betrieb der Ansteuerschaltung zu gewährleisten und die Übertragung von Gleichtaktstörungen auf die Steuereinheit des Systems zu verhindern.
D) Die Betriebsumgebung des IGBT ist durch hohe Ströme und Spannungen gekennzeichnet, was während der Umwandlung zu einem signifikanten Temperaturanstieg im System führt. Daher muss das DC/DC-Netzteil des Türantriebs einen breiten Betriebstemperaturbereich aufweisen.
Wie funktioniert das „ON Semi driver“-Demoboard?
Abbildung 3 veranschaulicht die Funktionsweise. In diesem Anschlussdiagramm sind die Pins 2 und 14 mit dem Gate-Pegel (G) verbunden, Pin 2 des FOD3120-Chips mit dem Steuersignal. Bei einem hohen Steuersignal gibt der Chip ein hohes Signal aus, wodurch der NPN-Transistor (2SC5569) eingeschaltet, der PNP-Transistor (2SA2016) ausgeschaltet, der positive Ausgang (+V0) des QA151-Leistungsmoduls mit dem Gate-Pegel (G) verbunden und der IGBT eingeschaltet wird. Bei einem niedrigen Steuersignal gibt der Chip ein niedriges Signal aus, wodurch der NPN-Transistor (2SC5569) ausgeschaltet, der PNP-Transistor (2SA2016) eingeschaltet, der negative Ausgang (-V0) des QA151-Leistungsmoduls mit dem Gate-Pegel (G) verbunden und der IGBT ausgeschaltet wird.
Der MORNSUN QA151-Treiber ist ein spezialisierter DC/DC-Wandler für IGBT-Treiber. Er nutzt eine gegenseitige Verbindung mit zwei unabhängigen Ausgängen und ist daher ideal für ON Semiconductor geeignet, um deren Treiber-IC ON FOD3120SD sowie die Transistoren 2SC5569 und 2SA2016 mit Strom zu versorgen.
Dieses QA151-Leistungsmodul integriert die Treibercharakteristik eines ICs und liefert asymmetrische Ausgangsspannungen von +15/-8,0 V DC. Dadurch wird der Stromverbrauch minimiert und die Anforderung an schnelles Ein- und Ausschalten erfüllt.
Der QA151 bietet zudem einen breiten Betriebstemperaturbereich
von -40 °C bis +105 °C und ist in einem kompakten, 7-poligen, intern gesockelten SIP-Gehäuse
mit Abmessungen von 19,5 x 9,8
x 12,5 mm erhältlich. Dies erfüllt nicht nur die Anforderungen von verteilten oder SIP-Leiterplattendesigns, sondern vereinfacht auch die Systemplatzplanung.
Dank eines Trenntransformators bietet der QA151 eine Isolationsspannung von bis zu 3000 V AC und gewährleistet so eine hohe Isolation für das Demoboard „On Semi driver“. Darüber hinaus beträgt die Isolationskapazität des QA151 nur 6 pF, wodurch das Demoboard „On Semi driver“ eine hohe Störfestigkeit aufweist. Mit einem Ausgangsstrom von bis zu 120 mA und einer kapazitiven Lastkapazität von über 200 µF erfüllt er ein breites Spektrum an IGBT-Leistungsanforderungen.
