Modellierung von IGBT-Leistungshalbleitern für den Entwurf von Umrichtern und Antrieben

Wichtigste Erkenntnisse

• • Ein IGBT-Modell ist für die Auslegung dann von Nutzen, wenn es Schaltverluste, Diodenrücklauf, Gate-Timing sowie die parasitären Effekte berücksichtigt, die das Überschwingen und das Schwingen beeinflussen.

  • Die Modellgenauigkeit sollte auf die zu beantwortende Fragestellung abgestimmt sein, angefangen bei Studien zur Durchschnittswertkontrolle über Überprüfungen der Schaltverluste bis hin zur Untersuchung der elektrothermischen Sicherheitsreserve.

  • Die Dimensionierung von Snubbern, die Abschätzung der Wandlerverluste und die Belastungsprüfungen des Motorantriebs sind erst dann zuverlässig, wenn das Modell mit den gemessenen Schaltwellenformen abgeglichen wurde.

Präzise IGBT-Modelle verwandeln die Entwicklung von Wandlern von idealer Schaltmathematik in ein klares Bild von Verlusten, Spannungsbelastung und Snubber-Einsatzzeit.

Diese Verschiebung ist von Bedeutung, da Leistungsstufen an den Schaltflanken weitaus häufiger ausfallen als in dem gemittelten Schaltbild, das Sie zu Beginn skizziert haben. Elektromotorsysteme machen fast 50 % des weltweiten Stromverbrauchsaus, sodass sich schon kleine Fehler bei den Annahmen zu Umrichterverlusten und Belastungen bei einer riesigen installierten Basis in Wärmeentwicklung, Größe und Effizienzverlusten niederschlagen. Sie erhalten wesentlich bessere Entwurfsergebnisse, wenn das Modell Leitungsspannungsabfall, Schaltenergie, Diodenrücklauf sowie die parasitären Effekte rund um das Gehäuse und die Sammelschiene berücksichtigt. An diesem Punkt hört die Simulation auf, eine reine Verdrahtungsprüfung zu sein, und beginnt, die Hardwareauswahl zu lenken.

Ideale Schaltmodelle lassen die Belastungen außer Acht, die das Design prägen

Ein ideales Schaltmodell beantwortet lediglich Fragen zur Topologie und zur Steuerung. Es gibt keinen Aufschluss darüber, wie viel Energie das Bauelement beim Einschalten verbraucht, wie hoch die Kollektor-Emitter-Spannung überschwingt oder wie sich die Freilaufdiode erholt. Diese Effekte bestimmen den Temperaturanstieg, die Größe des Snubbers und die Sicherheitsreserve des Bauelements.

Eine 600-V-Halbbrücke, die eine induktive Last speist, kann bei idealen Bauelementen vollkommen sauber aussehen. Fügt man jedoch einen endlichen Nachlaufstrom, die Rücklaufzeit der Dioden und eine Kommutierungsinduktivität von 20 nH hinzu, so weist derselbe Zweig bei jeder Flanke Spannungsspitzen und zusätzliche Verlustleistung auf. Dies hat Auswirkungen auf die Dimensionierung des Kühlkörpers und die sichere Betriebsreserve. Außerdem ändert sich dadurch, welches Pulsweitenmodulationsmuster als akzeptabel gilt.

„Man braucht nicht für jede Studie jedes Detail der Halbleiterphysik.“

Es bedarf eines ausreichenden Maßes an nicht idealem Verhalten, damit das Spannungsbild realitätsnah ist. Das beginnt in der Regel mit einer endlichen Durchlassspannung, einer endlichen Schaltzeit, antiparallelem Diodenverhalten und den Streuelementen rund um den Regelkreis. Sobald diese Faktoren gegeben sind, untersuchen Sie endlich den Wandler, den Sie bauen möchten.

Wählen Sie das IGBT-Modell entsprechend dem Ziel der Untersuchung aus.

Das richtige IGBT-Modell ist dasjenige, das Ihre aktuelle Frage mit plausiblen Ergebnissen zu Belastungen und Verlusten beantwortet. Mittelwertmodelle eignen sich für die Regelungsoptimierung und Leistungsflussanalysen. Schaltmodelle eignen sich für die Gate-Timing-Berechnung, die Verlustabschätzung und die Untersuchung der Snubber-Funktion. Detaillierte elektrothermische Modelle eignen sich für die Überprüfung der Sicherheitsmargen nahe den Strom-, Spannungs- und Temperaturgrenzwerten.

Bei einer Untersuchung von Front-End-Gleichrichtern sind detaillierte Angaben zum Gate-Strom im Nanosekundenbereich meist nicht erforderlich. Bei einem Doppelimpuls-Testmodell ist dies jedoch immer der Fall. Genau an dieser Stelle verlieren viele Projekte Zeit, da die Teams entweder frühe Modelle überdimensionieren oder sich bei der Bauteilauswahl auf einfache Modelle verlassen. Dieser Kontrollpunkt sorgt dafür, dass der Umfang des Modells auf die jeweilige Designfrage abgestimmt bleibt.

SPS SOFTWARE passt zu diesem Arbeitsablauf, da Sie mit einem bearbeitbaren Schaltmodell beginnen und die Modellgenauigkeit dort erhöhen können, wo es die Konstruktionsfrage erfordert. Sie sind nicht an eine geschlossene „Black Box“ gebunden, sodass Annahmen bezüglich der Diodenrückführung, der parasitären Induktivität und der Temperatur überprüft werden können. Diese Transparenz ist hilfreich, wenn eine Kurve falsch aussieht und Sie feststellen müssen, ob das Problem physikalischer Natur ist oder auf die Einstellungen zurückzuführen ist. Außerdem sorgt sie dafür, dass die Nutzung in Lehre und Technik aufeinander abgestimmt bleibt.

Die Gattersteuerung mit einer zeitlichen Abstimmung darstellen, die der Hardware entspricht

Die Gate-Steuerung muss mit denselben Verzögerungen, Widerständen und Spannungsgrenzen modelliert werden, die auch in der Hardware zum Einsatz kommen. Totzeit, Einschalt- und Ausschaltwiderstand, das Miller-Plateau-Verhalten sowie die Ausbreitungsverzögerung des Treibers beeinflussen die Stromüberlappung und die Diodenrückstellung. Sind diese Werte nur allgemein gehalten, sind auch die Schaltwellenformen nur allgemein gehalten.

Ein Phasenarm mit einer zusätzlichen Einschaltverzögerung von 200 ns im High-Side-Pfad teilt den Strom nicht so auf, wie es ein idealer Pulsweitenmodulationsblock vermuten lässt. Die Low-Side-Diode kann länger in leitendem Zustand bleiben und muss sich dann stärker erholen, wenn der obere IGBT Strom aufnimmt. Deshalb liefert ein Modell mit separaten Source- und Sink-Gate-Widerständen ein besseres Bild als ein einzelner Wert für die Anstiegszeit. Man erkennt dann, wie ein kleinerer Ausschaltwiderstand den Nachlaufstrom reduziert, aber gleichzeitig den Überschwinger erhöht.

Auch die Totzeit verdient die gleiche Aufmerksamkeit. Eine zu kurze Totzeit birgt das Risiko einer Querleitung, während eine zu lange Totzeit zu Verlusten in der Diode führt und den Strom bei geringer Last verzerrt. Das Gate-Timing ist nicht nur ein Detail der Steuerung. Es ist Teil des Bauelementmodells, da es festlegt, wie das Bauelement jeden Zustand erreicht.

Störinduktivitäten erfassen, bevor das Schaltverhalten abgestimmt wird

Die Streuinduktivität bestimmt, wie stark eine Schaltflanke ausfällt, sobald der Strom von einem Kommutationspfad in einen anderen wechselt. Wenn Sie den Gate-Widerstand anpassen oder einen Snubber einbauen, bevor Sie diese Induktivität modellieren, gehen Sie an der falschen Ursache vorbei. Das Ergebnis ist ein übersichtlicher Schaltplan und ein verrauschter Prototyp.

Ein realistisches Schaltmodell sollte diese parasitären Effekte berücksichtigen, bevor Sie ein Schwingen oder einen Überschwinger beurteilen.

• Die Gleichstrom-Verbindungsschleifeninduktivität zwischen dem Kondensator und der Halbbrücke
• Die Emitter-Messinduktivität, die in die Gate-Schleife zurückgeführt wird
• Die Anschlussinduktivität des IGBT und seiner antiparallelen Diode
• Der Sammelschienenwiderstand, der einen Teil des hochfrequenten Schwingungsverhaltens dämpft
• Die lastseitige Kabelkapazität, die bei jeder Kommutierung auftritt, sogar

Ein 30-kW-Wechselrichterzweig verdeutlicht, warum dies von Bedeutung ist. Verlegt man die Gleichstromverbindung von einer idealen Spannungsquelle zu einem Kondensator mit Schleifeninduktivität und äquivalentem Serienwiderstand, kann die Kollektor-Emitter-Spitzenspannung beim Ausschalten um mehrere zehn Volt ansteigen. Diese zusätzliche Spitzenspannung beeinflusst die Dimensionierung des Snubbers und kann auch die Wahl des Gate-Widerstands beeinflussen. Man optimiert nicht mehr einen abstrakten Schalter.

Modellierung von Schaltverlusten anhand von Energietabellen über den gesamten Temperaturbereich

Bei der Modellierung von Schaltverlusten sollten tabellarisch erfasste Ein- und Ausschaltleistungen in Abhängigkeit von Strom, Spannung, Gate-Widerstand und Sperrschichttemperatur herangezogen werden. Für die Modellierung von Leitungsverlusten sollten die Spannung im eingeschalteten Zustand oder äquivalente Kurven in Abhängigkeit von Strom und Temperatur verwendet werden. Diese beiden Komponenten liefern Ihnen eine aussagekräftige vorläufige Verlustkarte für einen Wandler.

Ein 1200-V-Bauteil in einem pulsbreitenmodulierten Umrichter schaltet selten genau am im Datenblatt angegebenen Testpunkt. Wenn in den Daten die Einschalt- und Ausschaltenergie bei 600 V, 300 A und 125 °C angegeben sind, sollte Ihr Modell diese Werte skalieren oder interpolieren, anstatt für jeden Übergang einen festen Wert anzunehmen. Die Sperrschichttemperatur wirkt sich dann auf den nächsten Betriebspunkt aus, da heißeres Silizium anders schaltet und leitet. Dieser Regelkreis macht die Kühlreserve und die Überlastgrenzen sichtbar.

Einfache Überlappungsformeln sind bei der anfänglichen Dimensionierung zwar noch hilfreich, lassen jedoch die Rückgewinnung der Diode, die Form des Tail-Stroms und Temperatureffekte außer Acht. Ein Verlustmodell, das den Durchlassspannungsabfall mit Energietabellen kombiniert, liefert realistischere Ergebnisse und lässt sich dennoch effizient ausführen. Sobald die Energien pro Impuls plausibel erscheinen, können Sie einen gemittelten thermischen Block über das geschaltete elektrische Modell legen. Dieser Ansatz sorgt dafür, dass die Verlustschätzung weiterhin an das tatsächliche Kommutationsereignis gekoppelt bleibt.

Verwenden Sie Snubber-Schaltungen, um Spannungsüberschwinger zu dämpfen

Snubber-Netzwerke regeln die durch parasitäre Effekte verursachten Spannungs- und Stromspitzen und müssen entsprechend der tatsächlich zu erwartenden Wellenform ausgelegt werden. Ein Snubber, der an einem Lastpunkt ein Überschwingen verhindert, kann an einem anderen Punkt erhebliche Verlustleistung verursachen. Ein gutes Design sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Klemmwirkung, Dämpfung und Widerstandserwärmung.

Ein RC-Snubber, der über einen Halbbrücken-Schalter geschaltet ist, eignet sich gut, wenn das Hauptproblem in hochfrequenten Schwingungen aufgrund von Schleifeninduktivität und Streukapazität besteht. Eine RCD-Klemme ist die richtige Wahl, wenn der Ausschalt-Überschwinger einen freien Weg zu einem Speicherkondensator und einem Widerstand benötigt. Jede Wahl verlagert die Belastung an eine andere Stelle. Eine niedrigere Spitzenspannung geht in der Regel mit höheren Snubber-Verlusten, zusätzlichen Bauteilen und einer höheren thermischen Belastung des Widerstands einher.

Beginnen Sie mit der simulierten Schwingungsfrequenz und der Spitzenspannung und passen Sie dann die Kapazität an, um die von den parasitären Effekten wahrgenommene Flankensteilheit zu verlangsamen, sowie den Widerstand, um die Schwingung zu dämpfen. Eine Doppelimpuls-Konfiguration macht dies sichtbar, da der Laststrom unter Kontrolle bleibt, während Sie die Bauteilwerte durchlaufen lassen. Das Snubber-Design funktioniert, wenn es an das Kommutationsschleifenmodell gekoppelt ist. Es versagt, wenn es als nachträglicher Zusatz behandelt wird, nachdem die Layout-Entscheidungen bereits feststehen.

Das gleiche Modell auf Motorantriebs-Wechselrichter anwenden

Bei Untersuchungen zu Motorantriebs-Wechselrichtern wird dasselbe IGBT-Schaltmodell benötigt, das auch bei der Arbeit an Stromrichtern zum Einsatz kommt, ergänzt um die Details zu Maschine, Kabel und Modulation, die das Gerät in unterschiedliche Betriebsbereiche bringen. Motorgetriebene Systeme verbrauchen mehr als 50 % des Stromverbrauchs in der US-amerikanischen Fertigungsindustrie, daher sind Verluste und Belastungsfehler sowohl im Flottenmaßstab als auch im Labormaßstab von Bedeutung.

Ein langes Motorkabel kann die Spannung reflektieren, den Gleichtaktstrom erhöhen und die Rückstellspannung der Dioden während der Flanken der Pulsweitenmodulation verschieben. Der Betrieb bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment bringt eine weitere Herausforderung mit sich, da der Phasenstrom hoch bleibt, während die elektrische Frequenz sinkt. Dieser Betriebspunkt belastet die Bauelemente thermisch, selbst wenn der Motor langsam läuft. Ein Modell, das den Umrichter mit der Maschine und dem Kabel koppelt, wird diese Fehlanpassung deutlich machen.

Motorantriebe zeigen zudem, wie durchschnittliche Verlustwerte lokale Belastungen verschleiern können. Regeneratives Bremsen, schrittweise Laständerungen und Feldschwächung führen dazu, dass das Gerät unterschiedliche Strom- und Spannungskombinationen durchläuft. Hierfür sollten dieselben Verlusttabellen, Gate-Timings und parasitären Netzwerke verwendet werden wie bei Umrichteruntersuchungen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Lastmodell nun detailliert genug ist, um den Wechselrichter so zu belasten, wie es in der Anwendung der Fall sein wird.

Simulierte Schaltverläufe frühzeitig anhand von Messungen auf dem Prüfstand überprüfen

„Ein Modell, das Sie hinterfragen, optimieren und überprüfen können, sorgt dafür, dass Ihre Snubber-, Kühlungs- und Bauteilmargen stets auf derselben Grundlage beruhen.“

Validierung bedeutet, die gemessenen und simulierten Schaltverläufe miteinander abzugleichen, bevor man sich bei der Wahl der Snubber-Werte, der Kühlreserve oder der Bauteilauswahl auf das Modell verlässt. Vergleichen Sie die Kollektor-Emitter-Spannung, den Kollektorstrom, die Gate-Spannung und die Schwingungsfrequenz aus demselben Testaufbau. Wenn diese Verläufe übereinstimmen, wird das Modell die Entwurfsarbeit leiten, anstatt sie nur zu beschönigen.

Ein Doppelimpulstest ist die aussagekräftigste Prüfmethode, da er ein einzelnes Ein- und Ausschalt-Ereignis bei bekanntem Strom und bekannter Busspannung voneinander trennt. Ein Wechselrichterzweig unter Pulsweitenmodulation ist der nächste Schritt, da hier Totzeit und die Erholung der Dioden ins Spiel kommen. Geringe Abweichungen sind im Bereich der Sondenbandbreite und der parasitären Effekte des Gehäuses normal. Größere Abweichungen lassen sich in der Regel auf fehlende Induktivität, einen falschen Gate-Widerstand oder eine falsche Verlustskalierung gegenüber einem Wert im Datenblatt zurückführen.

Ein gutes Wandlerdesign basiert auf Modellen, die Verluste und Belastungen früh genug berücksichtigen, sodass die Hardware noch angepasst werden kann, bevor die Zeichnungen endgültig festgelegt werden. Deshalb sind transparente Werkzeuge wichtiger als ausgefeilte, ideale Bausteine. SPS SOFTWARE ist die richtige Wahl, wenn Sie überprüfbare Schaltmodelle benötigen, die sich eng an die Schaltung anlehnen, die Sie bauen werden.