IGBT: Vier Tipps zur Auswahl von isolierten Gate-Treibern

In diesem Analogtipp diskutieren wir vier wesentliche Parameter, die Sie bei der Auswahl von isolierten Gate-Treibern berücksichtigen sollten: Stromtreibfähigkeit, Timing, Isolationsspannung und Störfestigkeit.

In der Antriebstechnik, werden oftmals IGBTs zum Schalten von hohen Spannungen und Strömen eingesetzt. Diese Leistungstransistoren sind spannungsgesteuert und produzieren ihre Hauptverluste beim Schalten. Um die Schaltverluste möglichst gering zu halten, sind kurze Schaltzeiten wünschenswert.

Allerdings birgt schnelles Schalten die Gefahr von hohen Spannungstransienten, die Einfluss auf die Prozessorlogik haben oder diese beschädigen können. Daher werden zur Ansteuerung meist Gate-Treiber eingesetzt, die IGBTs mit einem passenden Gate-Signal versorgen, die Funktion des Kurzschluss-Schutzes übernehmen und die Schaltgeschwindigkeit beeinflussen.

Bei der Wahl des Gate-Treibers müssen Sie vier Punkte berücksichtigen, die im Folgenden näher erläutert werden.

Stromtreibfähigkeit: Beim Schalten befindet sich der Transistor kurzzeitig in einem Zustand, bei dem sowohl eine hohe Spannung als auch ein hoher Strom anliegt. Gemäß des Ohm‘schen Gesetzes entstehen Verluste, abhängig von der Dauer dieser Zustände (Bild 1).

Diese Zeiträume sollten Sie möglichst gering halten. Wesentlichen Einfluss hierbei hat die Gate-Kapazität des Transistors, die beim Schalten geladen bzw. entladen werden muss. Höhere transiente Ströme beschleunigen diesen Prozess.

Treiber, die länger höhere Gate-Ströme liefern können, wirken sich demzufolge vorteilhaft auf die Schaltverluste aus. Der ADuM4135 liefert beispielsweise einen Strom bis zu 4 A. Je nach IGBT lassen sich damit Schaltzeiten im einstelligen Nanosekundenbereich realisieren.

Timing: Um die Schaltzeiten möglichst gering zu halten, kommt es u.a. auch auf die Anstiegs- (t_R) bzw. Abfallzeit (t_F) des Treiberausgangs (engl. Output Rise/Fall Time) sowie dessen Laufzeitverzögerung (engl. propagation delay, t_D) an. Diese ist definiert als die Dauer, die eine Eingangsflanke benötigt, bis sie zum Ausgang übertragen wird und ist abhängig vom Treiberausgangsstrom sowie der Ausgangslast.

Typischerweise verhält sich die Laufzeitverzögerung bei steigenden und fallenden Flanken etwas unterschiedlich, wodurch eine gewisse Pulsweitenverzerrung (engl. pulse width distorsion, PWD) entsteht: PWD = |t_DLH – t_DHL|.

Da Treiber oftmals mehrere Ausgangskanäle haben, diese jedoch trotz Ansteuerung über denselben Eingang zeitlich unterschiedlich reagieren, ergibt sich hier zusätzlich ein geringer Versatz (engl. propagation delay skew, t_SKEW).

Isolationsspannung: In der Leistungselektronik wird Isolation aus funktionalen und sicherheitstechnischen Gründen benötigt. Da Gate-Treiber in der Antriebstechnik beispielsweise in Form einer Halbbrückentopologie eingesetzt werden und hierbei mit hohen Busspannungen und Strömen in Berührung kommen, ist eine Isolation sicherheitstechnisch unumgänglich.

Funktional ist sie notwendig, da die Ansteuerung der Leistungsschalter in der Regel aus dem Niederspannungskreis erfolgt. Die Ansteuerung des oberen Schalters der Halbbrücke wäre aufgrund der Potentialhebung bei gleichzeitig offenem, unteren Schalter so nicht möglich.

Darüber hinaus stellt die Isolation im Fehlerfall eine sichere Trennung des Hochspannungsbereichs vom Steuerkreis dar, welcher menschliche Berührungen erlaubt. Isolierte Gate-Treiber weisen Spannungsfestigkeiten von typischerweise 5 kV_eff/min und mehr auf.

Störfestigkeit: Raue, industrielle Umgebungen erfordern eine möglichst gute Immunität bzw. Störfestigkeit der Applikationen gegenüber Störquellen. Insbesondere HF-Rauschen, Gleichtakttransienten und magnetische Störfelder sind kritisch, da sie sich u.a. in die Gate-Ansteuerung einkoppeln und die Leistungsschalter zu ungewollten Zeitpunkten zum Schalten anregen können.

Bei isolierten Gate-Treibern definiert die Gleichtaktunterdrückung (engl. Common Mode Transient Immunity, CMTI) die Fähigkeit, Gleichtakttransienten zwischen Eingang und Ausgang abzuweisen. Der ADuM4121 weist exemplarisch einen sehr guten Wert von >150 kV/µs auf.

Fazit: Die angesprochenen Parameter sind lediglich ein Teil der Spezifikationen eines Gate-Treibers. Weitere entscheidende Faktoren können u.a. die Arbeitsspannung, Versorgungsspannung, Temperaturbereich sowie zusätzlich integrierte Funktionen wie Miller-Clamp und Entsättigungsschutz sein.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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