Plug-and-Play-IGBT-Treiber Verbesserte Stromsymmetrie bei IGBT-Parallelschaltung

Eine neue Gate-Treiber-Lösung soll das Parallelschalten von bis zu sechs IGBT-Modulen ermöglichen. Durch das Minimieren der Stromfehlanpassung lassen sich laut Anbieter bis zu 5 Prozent Verluste in der Anwendung vermeiden.

Das Parallelschalten von IGBT-Modulen ist in vielen Fällen die geeignete Lösung, wenn der gewünschte Ausgangsstrom mit einem Einzel-Modul als Schalter nicht erreicht werden kann. Gleichzeitig ist die Parallelschaltung eine technische Herausforderung, um die richtige Stromaufteilung zwischen den Einzelmodulen sicherzustellen. Technische Maßnahmen sind zwingend, um die homogene Stromverteilung innerhalb der parallel geschalteten Leistungsmodule sicherzustellen. Diese homogene Stromaufteilung ist auch der Schlüssel zur Erhaltung der hohen Robustheit, etwa eines Umrichters.

Das Problem der inhomogenen Stromaufteilung

In einem Idealfall skaliert die Strombelastbarkeit von IGBT-Modulen entsprechend der Anzahl parallel geschalteter Module. Weil die Impedanz der einzelnen Modulverbindungen nie vollständig angepasst ist und die realen Parameter der Module variieren, ist eine perfekte Stromaufteilung unrealistisch. Zudem begünstigt eine ungleichmäßige Kühlung der Leistungshalbleiter die Stromungleichheit sowohl innerhalb der Module als auch der Module untereinander, denn die Schalteigenschaften sind temperaturabhängig. Somit existieren ernst zu nehmende Einflussparameter für die statische und dynamische Stromaufteilung. Diese haben Auswirkung auf die Stromfehlanpassung zwischen den parallel geschalteten Modulen einerseits und den Sperrschichttemperaturen andererseits.

Eine inhomogene Stromaufteilung verursacht höhere Verluste in dem Modul, das mehr Strom aufnimmt. Unter ungünstigen Bedingungen ist auch das Derating, eine Verringerung des Gesamtstroms, erforderlich. Stromfehlanpassung wirkt sich sowohl auf die Durchlassverluste als auch auf die Schaltverluste aus. Das Problemfeld ist für Lösungen auf Siliziumbasis sehr komplex; weitere Herausforderungen kommen für Siliziumkarbid-Anwendungen hinzu.

Eine mögliche Vereinfachung des Problems

Für eine Minderung der Stromfehlanpassung in der Parallelschaltung soll der Plug-and-Play-Treiber SCALE-iFlex LT sorgen. Er kann sechs Dual-IGBT-Module unterschiedlicher Hersteller (z.B. Mitsubishi) ansteuern und mit integrierter Booster-Stufe und bestmöglicher Symmetrieanpassung die Schaltverluste um 3% bis 5% senken. Advanced Active Clamping (AAC) unterstützt zusätzlich höhere Zwischenkreisspannungen. Neben diversen Schutzfunktionen hat die Treiber-Lösung eine verstärkte Isolierung bis 1700 V und ist (optional) mit Schutzbeschichtung für widrige Umgebungsbedingungen erhältlich. SCALE-iFlex LT besteht aus einer Master-Einheit (IMC; Isolated Master Control) mit Signal-Controlling und Signalkonditionierung sowie Adapted Gate Driver. Diese Adapter-Platinen werden huckepack auf die IGBT-Module platziert. Die so über die Modul-Steuer-Pins verbundenen Adapter enthalten jeweils zwei SCALE-2 ASICs (einen pro Kanal) zur Symmetrieanpassung und kommunizieren mit dem Master. U.a. über die integrierten NTC-Temperatursensoren wird jedes Modul überwacht, um eine bestmögliche Stromsymmetrie in dieser Treiberlösung zu erreichen.

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