IGBTs in elektrischen Antrieben mit Kabellast richtig schalten

In Antrieben kleiner und mittlerer Leistung haben Kabelkapazitäten unerwünschten Einfluss auf Schaltverluste sowie Verriegelungs- und Schaltzeiten. Der Autor erklärt Zusammenhänge und Konsequenzen.

Datenblatt-Schaltverluste von IGBT und ihren Freilaufdioden werden in einem Doppelpuls mit rein induktiver Last bestimmt. Dies kommt den Einsatzbedingungen in den meisten Anwendungsfällen recht nahe und wird deshalb auch von der zutreffenden Halbleiternorm (IEC 60747-9) so vorgeschrieben.

Bei elektrischen Antrieben kleiner und mittlerer Leistung mit langen, geschirmten Kabeln tritt allerdings eine substantielle kapazitive Last für die verwendet Leistungshalbleiter auf, welche das Schaltverhalten massiv verändert.

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Die kapazitiven Effekte erhöhen die Gesamtverluste des Wechselrichters und deren Vernachlässigung kann deshalb zu einer falschen Produktauslegung und zur Überlastung von Bauteilen führen.

Die hier präsentierten Ergebnisse sind teilweise der Masterarbeit von Dennis Richter („Detaillierte Untersuchung des Schaltverhaltens von Leistungshalbleitern bei langem Motorkabel“) an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entnommen.

Die Wirkung der geschirmten Kabel soll für eine Antriebsanwendung mit 3-phasigem Spannungswechselrichter und Motor-Last betrachtet werden.

Bild 1 zeigt das Schaltbild mit prinzipiellen EMV-Komponenten (Netzfilter und Y-Kondensatoren) eines Antriebs. Die Schaltvorgänge der IGBTs verursachen auf der Motorseite Potentialsprünge mit hohem dv/dt zwischen den Phasen und von Phase zur Masse (PE, Erde), was einen Stromfluss über die parasitären Kapazitäten zwischen den Leitern erzwingt.

Messung von Schaltverlusten; Testschaltung und Prüfling

Ein typischer Vertreter der IGBT-Module in der interessanten Leistungsklasse ist ein MiniSKiiP. Für die hier präsentierten Ergebnisse wurde ein 1200-V-IGBT mit 8 A Nennstrom gewählt (siehe Bild 2). Je nach Kühlung und Taktfrequenz kann ein solches Modul im MiniSKiiP1-Gehäuse für Antriebe bis 5,5 kW eingesetzt werden.

Für die Schaltverlustmessungen ist das Modul mit einer niederinduktiven Testplatine mit dem Zwischenkreis-Kondensator und dem Treiber verbunden. Ein doppelt geschirmtes Kabel mit 4 mm x 4 mm verbindet den Wechselrichter direkt mit dem Motor. Die Kabelkapazitäten liegen im Bereich von 100 bis 150 pF/m und sind durch eine im Schaltvorgang wirksame Parallelschaltung schon bei 2 m Kabel um einen Faktor 10 größer als die Halbleiter-und Modulkapazitäten und dominieren das Schaltverhalten mit zunehmender Länge.

Der Anteil des Stromes über die Motorkapazität ist bei 10 m Kabellänge schon <15%. Trotzdem sollte die Motorkapazität mit in die Untersuchung einbezogen werden; beispielsweise kann ein kleiner und langer Servomotor andere Kapazitäten haben als der hier verwendete Standard-Asynchronmotor.

Die Pfeile in Bild 3 zeigen beispielhaft den Stromfluss beim Einschalten von T2. Der kapazitive Strom fließt vom IGBT über die Y-Kondensatoren zur Gehäusemasse und dann über die Kabelkapazitäten zurück zum Zwischenkreis und IGBT.

Für die hochfrequenten kapazitiven Ströme sind die Zwischenkreis- und Y-Kondensatoren wie Kurzschlüsse. Da das Motorgehäuse auch mit dem Erdpotential verbunden ist, fließt ein Teil des Stroms über das Erdpotential. Für geschirmte Kabel spielt es keine Rolle, ob die Kabel gerade oder auf einer Trommel verlegt sind, weil außerhalb des Kabels keine kapazitive Kopplung mit einem sich ändernden elektrischen Potential besteht.

Die Schaltverluste werden im Doppelpuls-Test gemessen. Im Beispiel ist das untersuchte Bauteil der untere IGBT der Phase U (T2) mit der oberen Freilaufdiode (D1). Die anderen fünf IGBT sind entweder permanent eingeschaltet (T3, T5=+DC auf Phase V und W) oder dauerhaft ausgeschaltet (T1, T4 und T6).

Der gewünschte Strom wird durch die Pulsdauer des ersten Impulses eingestellt. Nach dem Ausschalten des IGBTs folgt eine Freilaufphase, bis der IGBT zum zweiten Mal eingeschaltet wird. Der Strom bleibt während des Freilaufs nahezu konstant. Die erste Abschaltung und das zweite Einschalten werden zur Messung der Strom- und Spannungsverläufe und der Schaltenergie verwendet (siehe Bild 4).

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