Wichtigste Erkenntnisse
- Die Schaltverluste von IGBTs werden anhand der integrierten Spannungs- und Stromüberlappung bei jedem Ein- und Ausschaltvorgang gemessen, nicht anhand von Werten im stationären Zustand.
- Die Doppelimpuls- Tests -Methode funktioniert nur, wenn die Gate-Ansteuerung, die Businduktivität, das Sonden-Timing und die thermischen Bedingungen kontrolliert und dokumentiert werden.
- Die Energiewerte in den Datenblättern sind nützliche Anhaltspunkte, doch eine zuverlässige Auslegung ergibt sich erst, wenn die tatsächliche Schaltzelle sowohl bei der Messung als auch bei der Modellierung berücksichtigt wird.
Der Schaltverlust eines Transistors wird gemessen, indem die Spannung und der Strom des Bauelements während des Einschaltens und Ausschaltens erfasst, zu einer Momentanleistung multipliziert und diese Leistung über jeden Übergang integriert wird.
Diese Methode ist von Bedeutung, da der Wirkungsgrad des Umrichters in sehr kurzen Zeitintervallen festgelegt wird, die in einem Datenblatt nur annähernd angegeben werden können. Elektromotorsysteme verbrauchen mehr als 40 % des weltweiten Stroms, sodass kleine Fehler bei der Abschätzung der Umrichterverluste nicht lange klein bleiben. Sie benötigen einen Prüfaufbau, der Ihre Busspannung, Ihren Laststrom, Ihren Gate-Widerstand und Ihr Layout reproduziert. Außerdem benötigen Sie ein Modell, das genau diesen Bedingungen entspricht, wenn die Berechnung der IGBT-Schaltverluste mit den Messergebnissen übereinstimmen soll.
Schaltverluste entstehen durch die Energie, die bei jedem Schaltvorgang freigesetzt wird.
Schaltverluste entstehen durch die Überlappung von Spannung und Strom, während das Bauelement zwischen dem Aus- und dem Ein-Zustand wechselt. Diese Überlappung dauert Nanosekunden bis Mikrosekunden. Die Energie pro Schaltvorgang ist zwar gering, doch aufgrund der hohen Wiederholungsrate kommt ihr große Bedeutung zu. Bei IGBTs sind Schaltverluste immer zunächst ein Problem der Energie pro Schaltvorgang, bevor sie zu einem Problem der Verlustleistung werden.
Ein einfaches Beispiel verdeutlicht, warum das so ist. Ein Bauteil, das beim Einschalten 2 mJ und beim Ausschalten 3 mJ bei 20 kHz abgibt, verursacht allein durch das Schalten eine Verlustleistung von 100 W. Diese Zahl ergibt sich aus der Addition der beiden Energien und der Multiplikation mit der Frequenz. Bei statischen Spannungsabfallmessungen lässt sich dieser Verlust nicht erkennen, da Leitungsverluste und Schaltverluste aus unterschiedlichen Teilen der Wellenform stammen.
Diese Unterscheidung bestimmt die Messmethode. Man sucht nicht nach einem einzigen konstanten Wert. Man isoliert kurze Ereignisse und summiert diese dann zur Durchschnittsleistung. Aus diesem Grund werden Schaltverluste in der Regel als Ein- und Ausschaltenergie erfasst, bevor sie in Watt umgerechnet werden. Sobald man Schaltverluste bei IGBT-Bauelementen auf diese Weise betrachtet, wird der weitere Testablauf klar: Erfassung des Übergangs, Berechnung der Momentanleistung und Integration nur über das Intervall, in dem sich Spannung und Strom überlappen.
Ein Doppelimpulstest liefert verwertbare Daten zu den Schaltverlusten
Ein Doppelimpulstest ist die Standardkonfiguration, da er bei bekannter Stromstärke und bekannter Zwischenkreisspannung ein kontrolliertes Einschalt- und ein kontrolliertes Ausschalt-Ereignis erzeugt. Der erste Impuls baut den Strom im Lastpfad auf. Der zweite Impuls erzeugt den Übergang, den Sie messen möchten. Dadurch wird das Schaltverhalten von längeren Regelvorgängen isoliert.
Ein funktionsfähiger Prüfstand besteht aus einer kleinen Anzahl von Bauteilen, die als eine einzige Testzelle zusammenwirken müssen. Jedes Bauteil beeinflusst die gemessene Wellenform. Die Quelle und die Last legen den Arbeitspunkt fest. Die Messspitzen und Anschlüsse entscheiden darüber, wie zuverlässig das Ergebnis sein wird.
- Eine Gleichstromquelle mit stabiler Sammelschienenspannung
- Eine induktive Last, die während des Impulsintervalls Strom hält
- Ein Leistungsstromkreis mit geringer Induktivität und kurzen Verbindungen
- Ein Gate-Treiber mit definiertem Widerstand und definierter Versorgungsspannung
- Spannungs- und Strommessköpfe mit angepasster Bandbreite und Zeitablauf
Häufig werden Sie einen 600-V-IGBT an mehreren Strompunkten testen, beispielsweise bei 10 A, 25 A und 50 A, da die Schaltverluste über den gesamten Betriebsbereich nicht linear verlaufen. Das Doppelimpulsverfahren gewährleistet die Wiederholbarkeit dieser Betriebspunkte. Wenn Ihr Aufbaue unkontrollierte Schwingungen oder Stromdrift verursacht, sagt die gemessene Energie mehr über die Messvorrichtung als über den Transistor aus.
„Du suchst nicht nach einem einzigen konstanten Wert.“
Die Details der Gate-Ansteuerung bestimmen die Wellenformen, die Sie messen müssen
Die Parameter der Gate-Ansteuerung bestimmen direkt, wie schnell das Bauelement den linearen Bereich durchläuft, und wirken sich somit unmittelbar auf die gemessenen Schaltverluste aus. Dabei spielen der Gate-Widerstand, die Gate-Spannung, die Strombelastbarkeit des Treibers und die Streuinduktivität rund um die Gate-Schleife eine Rolle. Ein langsamerer Gate-Übergang verlängert die Überlappungszeit. Ein schnellerer Übergang senkt zwar den Energieverbrauch, kann jedoch zu einem Überschwingen und Schwingungen führen.
Ein gängiges Laborergebnis verdeutlicht dies. Durch die Erhöhung des Einschaltwiderstands von 5 Ohm auf 15 Ohm wird der Stromanstieg gestreckt und der Zeitraum verlängert, in dem die Kollektorspannung noch hoch ist. Die integrierte Einschaltenergie steigt dann an, selbst wenn Laststrom und Busspannung konstant bleiben. Dasselbe Bauelement kann je nach einem Widerstandswert, der in einer vereinfachten Verlustschätzung nie auftaucht, als effizient oder ineffizient erscheinen.
Aus diesem Grund umfasst eine korrekte Messung der Schaltverluste bei IGBTs immer auch die tatsächliche Gate-Wellenform und nicht nur die Kollektorspannung und den Kollektorstrom. Wenn der Treiber in Sättigung geht, wenn die negative Ausschaltvorspannung zu schwach ist oder wenn es zu Schwingungen im Gate-Regelkreis kommt, spiegelt das Ergebnis der Verlustmessung nicht mehr nur das Bauteil selbst wider. Es spiegelt vielmehr die gesamte von Ihnen aufgebaute Schaltzelle wider.
Die Businduktivität bestimmt den Spannungsüberschwinger während der Kommutierung
Die Businduktivität beeinflusst den Kommutierungsverlauf, da jede schnelle Stromänderung über einer Streuinduktivität eine zusätzliche Spannung erzeugt. Dieser Überschwinger tritt zusätzlich zum Gleichstromzweig auf und verändert die momentane Leistung, die Sie integrieren. Der Effekt ist beim Ausschalten am stärksten, wenn der Strom schnell abfällt und gleichzeitig die Gerätespannung ansteigt. Das Layout ist ein wesentlicher Bestandteil der Verlustmessung und kein nebensächliches Detail.
Eine kurze Berechnung verdeutlicht das Ausmaß. Bei einer Schleifeninduktivität von 30 nH und einer Stromänderungsrate von 1000 A/µs ergibt sich aus der Beziehung V = L di/dt eine zusätzliche Spannung von etwa 30 V. Bei einer 600-V-Sammelschiene ist dieser Überschwinger groß genug, um sowohl die Belastung als auch die gemessene Energie zu verändern. Eine lange laminierte Sammelschiene, eine lose Sondenerdung oder eine breite Stromschleife verschlechtern die Wellenform zusätzlich.
Es passiert leicht, dass man die Ursache für diesen zusätzlichen Verlust falsch interpretiert. Der Transistor ist ja nicht plötzlich zu einem anderen Bauteil geworden. Vielmehr haben Ihr Gehäuse, die Sammelschienen, die Anordnung der Kondensatoren und die Anschlussbelegung der Messsonden den Kommutationspfad verändert. Aus diesem Grund stimmen die Energiewerte aus dem Datenblatt oft nicht mit den Ergebnissen eines Laboraufbaus überein, bei dem eine andere Gleichstrom-Zwischenkreisstruktur verwendet wird.
Die Einschaltleistung ergibt sich aus der Integration der Momentanleistung des Geräts
Die Einschalt-Energie wird aus der momentanen Leistungsaufnahme des Geräts während des Einschaltintervalls berechnet. Dazu multipliziert man an jedem Abtastpunkt die Kollektor-Emitter-Spannung mit dem Kollektorstrom und integriert das Ergebnis über die Zeit. Das Ergebnis ist ein einzelner Energiewert, der üblicherweise mit Eon bezeichnet wird. Eine korrekte Berechnung der IGBT-Schaltverluste hängt stärker vom gewählten Zeitfenster ab als von der Berechnung selbst.
Eine typische Erfassung beginnt kurz bevor die Gate-Spannung ansteigt und endet, nachdem sich die Kollektorspannung nahe ihrem Ein-Zustands-Pegel eingependelt hat. Wenn ein 400-V- und 30-A-Ereignis einen starken Stromüberschwinger über 80 ns aufweist, bleibt dieser Überschwinger innerhalb des Integrationsfensters, da er echte Energie beiträgt. Wenn Sie das Fenster zu früh abschneiden, wird der Verlust zu niedrig angegeben. Wenn Sie es weit in den stationären Leitungszustand hinein ausdehnen, mischen Sie Leitungsverluste in Eon ein.
SPS SOFTWARE ist hier hilfreich, da Sie denselben Gate-Widerstand, dieselbe Businduktivität und denselben Laststrom in einem physikalisch basierten Modell reproduzieren können. Anschließend können Sie die integrierten Einschaltterme mit den auf dem Prüfstand erfassten Werten vergleichen. Dieser Term-für-Term-Vergleich zeigt oft, ob die Abweichung auf das Timing der Messsonden, parasitäre Effekte im Layout oder ein unvollständiges Bauelementmodell zurückzuführen ist. Außerdem wird dadurch der Integrationsschritt von den Annahmen bezüglich des Bauelements und des Layouts getrennt.
„Turn off energy“ verwendet dieselbe Methode zur Leistungsintegration.
Beim Ausschalten wird dieselbe Methode zur Berechnung der Momentanleistung verwendet, doch die wichtigen Merkmale der Wellenform unterscheiden sich. Die Kollektorspannung steigt an, der Strom fällt ab, und der IGBT-Stromauslauf kann nach dem Hauptspannungsanstieg noch erhebliche Energie transportieren. Das Ergebnis wird üblicherweise als Eoff bezeichnet. Wenn man den Auslauf außer Acht lässt, ist der Wert falsch, selbst wenn der Hauptübergang sauber aussieht.
Bei einem gemessenen Ausschaltvorgang bei 40 A lässt der Strom häufig zunächst schnell abfallen und klingt dann langsamer ab, während die gespeicherte Ladung das Bauelement verlässt. Dieser letzte Abschnitt kann länger dauern als der anfängliche Spannungsanstieg, insbesondere bei höherer Sperrschichttemperatur. Ihr Integrationsfenster muss so lange fortgesetzt werden, bis der Strom seinen endgültigen Ausschaltwert erreicht hat und der Energiebeitrag effektiv beendet ist.
Die Ausrichtung der Messspitzen ist wichtiger, als viele Teams annehmen. Schon eine geringe zeitliche Verschiebung zwischen Spannungs- und Stromkanälen verschiebt die scheinbare Überlappung und verfälscht den Eoff-Wert. Sie sollten die Kanäle zeitlich abgleichen, die Polarität überprüfen und die Abtastrate kontrollieren, bevor Sie sich auf einen integrierten Wert verlassen. Oft verbirgt sich hinter einer sauberen Laborkurve ein großer Rechenfehler im Ausschaltverlust.
Die Werte im Datenblatt gelten nur unter genau abgestimmten Bedingungen
Die in den Datenblättern angegebenen Schaltleistungen gelten nur für genau die Testbedingungen, unter denen sie ermittelt wurden. Busspannung, Stromstärke, Gate-Widerstand, Sperrschichttemperatur, das Verhalten der Freilaufdiode und Streuinduktivität beeinflussen das Ergebnis. Wenn sich Ihr Messaufbau davon unterscheidet, weichen auch Ihre gemessenen Verluste ab. Diese Abweichung ist normal und sollte eher als Erklärung denn als Überraschung betrachtet werden.
Lüfter- und Pumpensysteme mit Drehzahlregelung können den Stromverbrauch um etwa 30 % senken – ein Grund, warum genaue Schätzungen der Umrichterverluste auch außerhalb des Labors wichtig sind. Ein Umrichter, der auf der Grundlage von Katalogverlustwerten ausgelegt wurde, kann heißer laufen als erwartet, sobald die integrierte Hardware zusätzliche Induktivität und ein anderes Gate-Netzwerk mitbringt. Diese Diskrepanz lässt sich nicht mit einer besseren Tabellenkalkulation beheben, wenn die zugrunde liegenden Testbedingungen nie übereinstimmten.
| Bedingung, die bei Ihrem Vergleich erfüllt sein muss | Warum diese Bedingung die gemessene Schaltleistung verändert |
| Passen Sie die im Test verwendete Gleichstrom-Zwischenkreisspannung an. | Ein höherer oder verrauschterer Bus erhöht die Schaltleistung, da das Bauteil während des Überlappungsintervalls eine höhere Spannung sperrt. |
| Den Impulsstrom zum Schaltzeitpunkt anpassen | Der gemessene Impulsstrom muss mit dem Wert im Datenblatt übereinstimmen, da die Schaltleistung in der Regel stark mit dem Strom ansteigt. |
| Passen Sie die Spannung und den Widerstand des Gate-Treibers an | Unterschiedliche Gate-Widerstände oder Änderungen der Treiberspannung beeinflussen die Schaltgeschwindigkeit und können sowohl die Einschalt- als auch die Ausschaltleistung verändern. |
| Die Induktivität der physikalischen Leistungsschleife anpassen | Gehäuse- und Bus-Parasitäten verursachen Überschwingen und Schwingungen, die in der Testvorrichtung des Herstellers oft nicht auftreten oder geringer ausfallen. |
| An die Sperrschichttemperatur des Bauteils anpassen | Ein kälteres und ein wärmeres Gerät schalten nicht auf dieselbe Weise um, daher muss beim Vergleich der Verluste derselbe thermische Zustand zugrunde gelegt werden. |
Wenn man diese Bedingungen Zeile für Zeile vergleicht, werden die meisten Abweichungen verständlich. Das Messergebnis deutet in der Regel auf ein oder zwei wesentliche Unterschiede hin und nicht auf ein Rätsel im Inneren des Transistors. Man kann dann die zusätzliche Energie auf eine bestimmte Testbedingung zurückführen. Die entscheidende Frage lautet: Welche Bedingung hat die Wellenform so stark verändert, dass sich die integrierte Energie verändert hat?
Physikbasierte Modelle legen Verlustterme vor der Hardware-Iteration offen
Physikbasierte Modelle sind nützlich, da sie es ermöglichen, Ein- und Ausschaltintervalle unter denselben Annahmen nachzubilden, die Sie auch im Labor verwenden. Sie können Spannung, Strom, Zeitabläufe und parasitäre Effekte überprüfen, bevor Sie Kupferleiter ausschneiden oder Tests wiederholen. Dadurch werden Schaltverluste zu einer nachvollziehbaren Berechnung und sind nicht mehr nur eine einzelne, undurchsichtige Zahl. Außerdem erhalten Sie so eine faire Möglichkeit, simulierte und gemessene Ergebnisse miteinander zu vergleichen.
Ein nützliches Modell ersetzt zwar keine Messungen, zeigt aber, wo man zuerst nachsehen sollte. Wenn der simulierte Eon-Wert übereinstimmt und Eoff auf dem Prüfstand hoch ist, können Sie sich auf das Verhalten des Stromschwanzes, die Diodenrückführung, die Sondenausrichtung oder die Layout-Induktivität konzentrieren. Das grenzt die Fehlersuche ein, bevor Sie jeden Parameter erneut überprüfen müssen. Außerdem verkürzt es den Weg von der Erfassung der Wellenform bis hin zu einem fundierten thermischen Budget.
SPS SOFTWARE passt perfekt in diesen Arbeitsablauf, da es Ihnen ermöglicht, die Schaltzelle mit transparenten Modellen nachzubilden und die Verlustintegration Term für Term mit den gemessenen Wellenformen zu vergleichen. So bleibt das Modell jederzeit überprüfbar, falls ein Ergebnis falsch erscheint. Außerdem hilft es den Teams, jeden Verlustterm während der thermischen Auslegung und der Entwurfsprüfung zu erläutern. Durch diesen systematischen Ansatz werden IGBT-Schaltverluste von Katalogschätzungen zu technischen Werten, auf die Sie sich bei der Effizienzprognose und bei Hardware-Entscheidungen verlassen können.
„Die entscheidende Frage ist, welche Bedingung die Wellenform so stark verändert hat, dass sich die integrierte Energie verändert hat.“
