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IHD 215/280/680
Datenblatt
Intelligenter Halbbrucken-Treiber fur IGBTs und Power-MOSFETs
Beschreibung
Die intelligenten Halbbrucken-Treiber der IHD-Typenreihe sind speziell fur die zuverlassige Ansteuerung und den sicheren Schutz eines IGBT- oder Power-MOSFET-Paares entwickelt worden. Alle intelligenten Treiber der IHDTypenreihe sind zueinander anschlukompatibel und unterscheiden sich nur in der Treiberleistung. Zwischen den Steuereingangen der beiden Kanale besteht keinerlei logische Verknupfung oder gegenseitige Verriegelung. Die Ansteuerbausteine sind somit sehr universell und konnen sowohl fur Halbbrucken-, Asymmetrische Halbbrucken- und Mittelpunkt-Schaltungen als auch fur alle weiteren PWM-Wandler und Resonanz-Topologien verwendet werden.
Besondere Merkmale
Geeignet fur IGBT's und Power-MOSFET's Schutzt die Leistungstransistoren Extrem zuverlassig, hohe Lebensdauer Hoher Ansteuerstrom von +/- 1,5A bis +/- 8A Galvanische Trennung 4000Vac Zustandsruckmeldung galvanisch getrennt Speisungs- und Selbstuberwachung Taktfrequenz DC bis MHz Taktverhaltnis: 0...100% Extrem storsicher, garantiert min 50'000V/ms Verkurzt die Entwicklungszeit Wandler
Anwendungen
Wechselrichter Antriebstechnik Traktion Bahnstromversorgungen Umrichter Energietechnik Getaktete Netzgerate Rontgen- und Lasertechnik DC/DC-Wandler Forschung HF-Generatoren und -
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Absolute Grenzdaten
Parameter Speisespannung Vcc Ausgangs-Spitzenstrom Iout Prufspannung (50Hz/1min) Testbedingung min max Einheit Vdc A A A Vac Vac Vac 4000 C C C
Betriebstemperatur Lagertemperatur
Pin 10 gegen Pin 9 -0,5 16 IHD 215xx Pin 25 und 36 -1,5 +1,5 IHD 280xx Pin 25 und 36 -8 +8 IHD 680xx Pin 25 und 36 -8 +8 INxx gegen SOxx 50 INxx gegen GND und Vcc 4000 INxx gegen Leistungsseite 4000 GND/Vcc gegen Leistungsseite Vac IHDxxxAN 0 +70 IHDxxxAI -40 +85 alle Typen -45 +90
Anschlubelegung
Pin Bez. Funktion Pin Bez. 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 G1 COM1 Cs1 E1 REF1 Cb1 ME1 Funktion
1 SO1+ Status Ausgang + (K1) 2 SO1- Status Ausgang - (K1) 3 IN1Eingang invertierend (K1) 4 IN1+ Eingang nicht invertierend (K1) 5 frei 6 frei 7 frei 8 frei 9 GND Mae Versorgungsspannung 10 Vcc Positive Versorgungsspannung 11 frei 12 frei 13 frei 14 frei 15 SO2+ Status Ausgang + (K2) 16 SO2- Status Ausgang - (K2) 17 IN2Eingang invertierend (K2) 18 IN2+ Eingang nicht invertierend (K2) Legende: (K1) = Kanal 1; (K2) = Kanal 2
Gate-Ansteuerung (K1) Virtueller Nullpunkt (K1) Ext. Stutz-Kondensator (K1) Emitter / Source (K1) Externe Referenz (K1) Beschaltung Blockierzeit (K1) Messung Kollektor/Drain (K1) frei frei frei frei G2 Gate-Ansteuerung (K2) COM2 Virtueller Nullpunkt (K2) Cs2 Ext. Stutz-Kondensator (K2) E2 Emitter / Source (K2) REF2 Externe Referenz (K2) Cb2 Beschaltung Blockierzeit (K2) ME2 Messung Kollektor/Drain (K2)
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Pins mit der Bezeichnung "frei" sind nicht bestuckt
Blockschaltbild
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Mechanische Abmessungen
Aufsicht Layout (Bestuckungsseite) Raster 2,54 Lotaugen O 1,6 Bohrungen O 0,9 Alle Mae in mm
Gehause- & Vergussmaterialien
Komponente Gehausematerial Vergussmasse Material Noryl (PPE mod.), glasfaserverstarkt, flammwidrig Polyurethanbasis, temperaturwechselfest
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Allgemeine Kenndaten
Qualitat Herstellung Zuverlassigkeit MTBF IHD215/280xx MTBF IHD680xx Umgebungsbedingungen Betriebstemperatur Lagertemperatur Norm ISO9001 zertifiziert Norm MIL HDBK 217F (siehe 12) MIL HDBK 217F (siehe 12) Testbedingung IHDxxxAN (siehe 13) IHDxxxAI (siehe 13) alle Typen min 0 -40 -40 typ Einheit
> 2'000'000Std > 1'840'000Std max +70 +85 +85 Einheit C C C
Elektrische Kenndaten
Stromversorgung Speisespannung Vcc (siehe 1) Stromaufnahme Icc (siehe 2) Max. Stromaufnahme Icc Max. Stromaufnahme Icc Max. Stromaufnahme Icc Wirkungsgrad Einschaltschwelle Vth Hysterese Ein-/Aus (siehe 4) Eingange INx+ zu INxTestbedingung Pin 10 gegen Pin 9 Leerlauf alle Typen IHD215xx (siehe 3) IHD280xx (siehe 3) IHD680xx (siehe 3) interner DC/DC-Wandler alle Typen alle Typen Testbedingung min 12 typ max 15 90 16 200 200 500 75 10 0,6 min alle Typen typ max 14 180 470 10 0 0 min -0,5 15 Einheit Vdc mA mA mA mA % Vdc Vdc Einheit 16
Eingangsspannung Vin (siehe 5) Vdc Stromaufnahme Iin (siehe 6) alle Typen Eingangskapazitat Cin alle Typen Koppelkapazitat Cio alle Typen Anstiegszeit tr(in) (siehe 7) alle Typen Fallzeit tf(in) (siehe 7) alle Typen Messung Schutzfunktion Eingange ME1 und ME2 Testbedingung gegen E1 bzw E2
mA(peak) pF pF 50 ns 50 ns Einheit Vdc
typ max Vcc
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Elektrische Kenndaten (Fortsetzung)
Zeitverhalten Laufzeit Eingang-Ausgang Testbedingung min typ max 60 60 20 min -1,5 -8 -8 1 2 2 6 15 15 min typ max +1,5 +8 +8 Einheit ns ns ms Einheit Adc Adc Adc mA W W W ns ns Einheit Vdc Vaceff
Einschalten tpd(on) Ausschalten tpd(off) Laufzeit Status-Ruckmeldung auf Fehler (siehe 16) Ausgange G1 und G2 Ausgangsstrom Iout (siehe 8) Testbedingung
IHD 215xx IHD 280xx IHD 680xx Ausgange SO1/SO2 (siehe 14) alle Typen Totale Wandlerleistung IHD 215xx IHD 280xx IHD 680xx alle Typen Anstiegszeit tr(out) (siehe 9) Fallzeit tf(out) (siehe 9) alle Typen Galvanische Trennung Testbedingung
30 30
typ max 600 1000 4000 1100 100
Betriebsspannung (siehe 10) dauernd Prufspannung (50Hz/1min) (siehe 17) Teilentladungs-Aussetzspannung IEC270 (siehe 15) Veff max. V/t bei V = 1000V alle Typen (siehe 11) 50
kV/s
Alle Daten, wenn nichts anderes angegeben, bei +25C und Vcc = 15V.
Funoten zu Kenndaten
1) Bei einer Speisespannung von groer als 16V konnen die Leerlaufspannungen auf den beiden Ausgangsseiten des DC/DC-Wandlers groer als 18V werden, was zur Zerstorung der ausgangsseitigen Treiber- und Schutzschaltungen fuhren kann. Nur Eigenverbrauch der Treiber, statisch. Ein Ueberschreiten der Stromaufnahme deutet auf eine Ueberlastung des DC/DC-Wandlers hin. Es ist der nachstgroere Typ vorzusehen. Die Ausschaltschwelle liegt um den Betrag der Hysterese tiefer als die Einschaltschwelle. Die Ein- und Ausschalt-Schwellen erlauben einen Betrieb der Treiber bei Betriebsspannungen von 12V bis 15V und lassen sich nicht verandern. Das Ansteuersignal sollte dieselbe Amplitude aufweisen wie die Stromversorgung des IHDxxx. Bei Vcc = 15V sollte das Ansteuersignal ebenfalls 15V sein, bei Vcc = 12V genugt eine Ansteuerung mit 12V. Abweichungen von +/-1V sind zulassig. Scheitelwert wahrend weniger als 100 ns, danach fliet ein Strom vom ca 10 mA, welcher langsam abklingt.
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7) Wenn die Anstiegs- bzw die Fallzeiten zu gro sind (das heit eine zu langsame Ansteuerung), kann eine zuverlassig Uebertragung der Ansteuerinformationen nicht garantiert werden. Der Gatestrom mu durch einen Gatewiderstand auf seinen Maximalwert begrenzt werden. Bei einer Last von 10 nF in Serie mit 20 Ohm. Maximale dauernd oder repetitiv anliegende Gleichspannung oder Spitzenwert der repetitiv anliegenden Wechselspannung zwischen den Ein- und Ausgangen sowie zwischen den Stromversorgungseingangen und allen ubrigen Anschlussen und zwischen Ausgang 1 und Ausgang 2. Achtung: Bei dauernd anliegender Gleichspannung von uber 600Vdc zwischen den Signalisationsausgangen und den Ausgangen G1, E1 bzw G2, E2 konnen sich die Langzeiteigenschaften der fur die Zustandsruckmeldung verwendeten Optokoppler unter Umstanden verschlechtern. Es sind aber auch auf hohere Teilentladungsspannungen gemessene und selektrierte Typen lieferbar (siehe 15). Diese Spezifikation bedeutet, da die Ansteuerinformation auch bei hoher Zwischenkreisspannung und schnellsten Schaltvorgangen garantiert storsicher ubertragen wird. Die MTBF (Mittlerer Ausfallabstand) ist berechnet nach MIL HDBK 217F bei einer Umgebungstemperatur von 40C, einer typischen Belastung und wenn der Treiber einem Luftstrom ausgesetzt ist. Weitere Informationen zur Zuverlassigkeit sind von CONCEPT auf Anfrage erhaltlich. Die anwendungsspezifische Eigenerwarmung der Treiber - speziell bei hoher Belastung - ist zu berucksichtigen. Die Ausgange SO1/SO2 sind fur einen Betriebsstrom von 1mA ausgelegt. Bei 1mA und 40C Umgebungstemperatur wird eine Lebensdauer der verwendeten Optokoppler von 50 Jahren vorhergesagt. Die Teilentladung wird bei den Standardtypen nicht gemessen. Fur Netzanwendungen besteht eine ausreichende Sicherheitsmarge zwischen der Betriebsspannung von typischerweise <600Vdc und der Teilenladungsaussetzspannung von typ. ca 1500Vpeak. Fur Anwendungen hochster Anforderung und hoheren Betriebsspannungen (zB Bahnanwendungen) konnen geprufte und selektierte Typen mit garantierter Teilentladungsfestigkeit geliefert werden. Im Fehlerfalle schaltet der Treiber den Leistungshalbleiter nahezu verzogerungsfrei aus. Die Ruckmeldung durchlauft einen Optokoppler, welcher eine Durchlaufverzogerungszeit von etwa 20ms hat; der Leistungstransistor ist also beim Eintreffen der Storungsmeldung auf der Steuerseite bereits seit etwa 20ms im ausgeschalteten Zustand. Die Prufspannung von 4000Vac(eff)/50Hz darf nur ein einziges Mal wahrend 1 Minute angelegt werden. Es ist zu beachten, dass sich bei dieser (eigentlich veralteten) Testmethode eine (geringe) Vorschadigung der Isolationsschichten infolge Teilentladung einstellt; weshalb dieser Test bei CONCEPT nicht als Serientest durchgefuhrt wird. Bei wiederholten Isolationstests (zB Baugruppentest, Geratetest, Systemtest) sind die nachfolgenden Prufungen mit einer tieferen Prufspannung durchzufuhren: Jede weitere Prufung mit um jeweils 500V verkleinerter Prufspannung. Anstelle solcher Prufmethoden eignet sich die modernere, wenn auch aufwendigere Teilentladungsmessung besser, da hier praktisch keine Vorschadigung auftritt.
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Funktions-Beschreibung
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Uebersicht
Die intelligenten Halbbrucken-Treiber der IHD-Serie sind universelle Ansteuermodule fur PowerMOSFET's und IGBT's im Schaltbetrieb. Alle IHD-Typen sind zueinander anschlukompatibel und unterscheiden sich nur in der Treiberleistung (maximaler Gatestrom und Leistung des DC/DCWandlers). Die IHD-Typen mit den hoheren Ausgangsleistungen eignen sich hervorragend fur groe Module oder eine Anzahl parallelgeschalteter Transistoren sowie fur HochfrequenzAnwendungen. Die intelligenten Halbbrucken-Treiber der IHD-Serie stellen eine Komplettlosung fur samtliche Ansteuer- und Schutzprobleme im Zusammenhang mit Power-MOSFETund IGBT-Leistungsstufen dar. Es werden praktisch keine weiteren Komponenten in der Steuerschaltung und im Leistungsteil benotigt. FEToder IGBT-Modulen parallelschalten, ohne da parasitare Schaltvorgange oder Oszillationen zu befurchten sind. Die Bausteine der IHD-Typenreihe beinhalten fur jeden der beiden Kanale je einmal die galvanische Trennung zwischen Steuer- und Leistungsseite, einen Ueberstromund Kurzschluschutz fur die Leistungstransistoren, eine Speisungsuberwachung, Zustandsruckmeldung sowie eine galvanisch getrennte Versorgung der Ansteuerelektronik durch einen integrierten DC/DC-Wandler. Die beiden Ansteuerkanale arbeiten unabhangig voneinander, es besteht keinerlei gegenseitige logische Verknupfung oder Verriegelung.
Echte galvanische Trennung
Die auf einem transformatorischen Prinzip realisierte galvanische Trennung von bis zu 1000V Betriebsspannung (entsprechend 4000V Prufspannung) zwischen Steuer- und Leistungsteil sowie die extrem hohe Storsicherheit von mindestens 50'000V pro Mikrosekunde pradestinieren die Ansteuermodule der IHD-Serie fur Anwendungen, bei welchen groe Potentialunterschiede und groe Potentialsprunge zwischen Leistungsteil und Steuerelektronik auftreten.
Sicherer Betrieb
Die Gateansteuerung mit positiver und negativer Steuerspannung (je nach ge-wahlter Versorgungsspannung zwischen +/12V bis +/-15V) erlaubt den sicheren Betrieb von beliebig groen IGBTModulen eines jeden Herstellers. Dank der groen Storsicherheit, welche durch die negative Gatespannung erreicht wird, lassen sich eine Anzahl von Power-MOS-
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Anwendungs-Vorteile
Die auerordentlich kurzen Durchlaufzeiten der Treiber der IHDSerie ermoglichen den Einsatz in hochfrequent getakteten Stromversorgungen, HF-Umformern und in Resonanzwandlern. Durch die auerst kurzen Durchlaufzeiten wird ein problemloser Betrieb in Bruckenschaltungen gewahrleistet; Offsetprobleme werden durch die hervorragenden Eigenschaften dieser Ansteuermodule vermieden. Durch den Einsatz von Treibermodulen der IHD-Serie lassen sich innert kurzester Frist zuverlassig Leistungsstufen mit PowerMOSFET's oder IGBT's realisieren. definierte Minimalzeit in diesem Zustand blockiert. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Transistor synchron mit der nachsten Einschaltflanke des Ansteuersignals wieder eingeschaltet. Mit diesem Schutzkonzept lassen sich IGBT-Halbbrucken und -Dreiphasen-Module sinnvoll und zuverlassig schutzen.
Layout der Anschlue
Die Anschlubeine (Pins) der Ansteuermodule der IHD-Serie sind so angeordnet, da das Layout sehr einfach gehalten werden kann und der logische Signalflu (Eingangssignal Ansteuerschaltung Leistungstransistoren) eingehalten wird. Zwischen Ansteuersignal und Leistungspotential wird ein Abstand von 45mm eingehalten!
Kurzschlu- und Ueberstromschutz
Eine der grundlegenden Funktionen der intelligenten Halbbrucken-Treiber der IHD-Serie ist der sichere Schutz der gesteuerten Leistungstransistoren gegen Ueberstrom und Kurzschlu. Die Strommeung basiert auf der Erfassung der Drain-Source- bzw. Kollektor-Emitter-Spannung am eingeschalteten Transistor. Nach Ueberschreiten einer durch den Anwender festgelegten Schwelle wird der Leistungstransistor ausgeschaltet und bleibt fur eine
Hinweis zur Pinbeschreibung
Da die Treiber der IHD-Serie zwei Kanale aufweisen, sind alle Anschlue mit Aus- nahme der Spannungsversorgung doppelt vorhanden. In der Beschreibung werden die Pin-Nummern und Bezeichnungen fur den Kanal 1 angegeben. Diejenigen fur den Kanal 2 stehen jeweils in einer geschweiften Klammer {}.
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Fur den zweiten Kanal gilt dann das Gleiche wie fur den explizit beschriebenen ersten Kanal. blattspezifikationen entspricht. Auerdem sollte der Eingangstreiber "Latch-Up"-fest sein, da uber die Koppelkapazitat des internen Uebertragers Ruckwirkungen von den Schaltvorgangen auf die Eingangstreiber auftreten. Ein bewahrter Eingangstreiber fur beide Kanale stellt der MC33151 von Motorola dar. Die Ansteuermodule der IHD-Reihe sollten moglichst nahe an den jeweiligen Leistungstransistoren plaziert werden. Die Leitungen von der Steuerelektronik zu den Eingangen IN1+ und IN1- durfen etwa 25cm lang sein. Die Leitungen IN1+ und IN1- mussen parallel und gut gekoppelt werden (parallele Leiterbahnen oder verdrillte Leitungen). Die Minusleitungen mussen in jedem Fall fur beide Kanale separat zum Eingangstreiber zuruckgefuhrt werden, damit ein zuverlassiger Betrieb gewahrleistet werden kann (siehe Abb. 3). Wahrend bei sehr langen Pulsen die sichere Uebertragung kein Problem darstellt, sollte der ganze Aufbau hinsichtlich sehr kurzer
Pin 3 und 4 {Pin 17 und 18} Eingange IN1+ und IN1- {IN2+ und IN2-}
An die Differenzeingange IN1+ und IN1- werden die Ansteuersignale angelegt. Der Eingang IN1- wird normalerweise mit der Mae der Steuerelektronik verbunden. Eine positive Flanke am Eingang IN1+ bewirkt das Einschalten des entsprechenden Leistungstransistors, eine negative Flanke schaltet den Transistor wieder aus (Abb. 1). Mu das Ansteuersignal invertiert werden, wird Eingang IN1+ an die Elektronikmae und das Steuersignal an den Eingang IN1- gelegt (Abb. 2). Die galvanische Trennung der Steuersignale ist bei den Treibern der IHD-Serie mit Impulstransformatoren realisiert. Beim Ansteuersignal ist darauf zu achten, da die Steuerelektronik die vom IHD benotigten Spannungen und Umladestrome liefern kann und da die Flankensteilheit den Daten-
Abb. 1 Ansteuerung nicht invertierend
Abb. 2 Ansteuerung invertierend
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Ansteuerimpulse uberpruft werden: Viele Pegelwandler und die meisten Treiber-ICs neigen dazu, bei sehr kurzen Impulsen (kleiner 100ns) zwar eine saubere Einschaltflanke zu generieren, die kurz darauf folgende Ausschaltflanke kann aber verzerrt oder verlangsamt sein. In einem solchen Fall ist es moglich, dass ein Treiber bei einem Kurzimpuls zwar einschaltet, aber aufgrund der unsauberen" Ausschaltflanke nicht wieder ausschaltet. Der dem IHD vorgeschaltete Eingangstreiber ist so zu optimieren, dass die Ausschaltflanke in jedem Fall insbesondere auch bei Kurzimpulsen - ebenso schnell und sauber ist wie die Einschaltflanke. Bei (digitalen) Systemen, bei welchen systembedingt keine kurzeren Ansteuerimpulse als etwa 200ns auftreten konnen, muss dieser Betriebsfall nicht speziell uberpruft werden.
Pin 1 und 2 {Pin 15 und 16} Ausgange SO1+ und SO1{SO2+ und SO2-}
Die Ausgange SO1+ und SO1dienen der Statusruckmeldung. Es handelt sich dabei um Kollektor (SO1+) und Emitter (SO1-) eines Optokopplertransistors. Der durchgeschaltete Zustand dieses Transistors entspricht einer "alles in Ordnung"-Meldung. Bei zu tiefer Spannungsversorgung oder aktivierter Schutzfunktion offnet der Transistor (siehe Abb. 4). Die Ausgange sind fur einen Betriebsstrom von 1mA vorgesehen. Trotz galvanischer Trennung gegenuber allen anderen Anschlu-Pin's durfen diese Ausgange ausschlielich auf dem Potential der Steuerseite (+/-50V Differenz zum Ansteuersignal) verwendet werden, da nur ein minimaler Abstand zu den Anschlussen der Eingange IN1+ und IN1- besteht. Durch die kapazitive Kopplung zwischen Sender und Empfanger im Optokoppler konnen bei hohen Pegelsprungen der Leistungstransistoren an den Ausgangen SO1/SO2 unter Umstanden kurze Spikes" auftreten. Deshalb wird empfohlen, den Status-Ausgangen ein RC-Glied
Abb. 3 Korrekte Leitungsfuhrung Eingangstreiber
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mit einer Zeitkonstante von etwa (Pin 23) angeschloenen Kapazitaten. Die Stromaufnahme wird durch die Anzahl der angesteuerten Transistoren, deren Gatekapazitat und durch die Taktfrequenz bestimmt. Aufgrund der hohen Isolation der Speisungsanschlue gegenuber allen anderen Pins konnen die Treiber der IHD-Serie von einem beliebigen Potential her versorgt werden, welches nicht zwangslaufig mit den Eingangspotential identisch sein mu. Die internen Einschaltschwellen wurden so ausgelegt, da ein Betrieb auch mit 12V erfolgen kann. Dies ist vor allem beim Betrieb mit Transistoren sinnvoll, welche bei hoheren Gatespannungen sehr groe Kurzschlustrome aufweisen (LowSaturation Typen). Es ist zu beachten, dass die Treiber selbst nicht gegen eigene Ueberlastung geschutzt sind. Ein Kurzschluss zwischen den Gate- und Emitteranschlussen - beispielsweise durch einen defekten Leistungshalbleiter - kann zu einer thermischen Zerstorung des Treibers fuhren.
Abb. 4 Ausgange Status-Ruckmeldung
5...10 Mikrosekunden nachzuschalten. Weiterhin wird empfohlen, die Statusruckmeldungen nicht hardwaremassig zusammenzuschalten sondern diese als Einzelsignale der Ueberwachungselektronik zuzufuhren. Dies vereinfacht die Diagnose und Storungssuche im Fehlerfalle ganz entscheidend.
Pin 9 und 10 GND und Vcc
Diese Anschlue dienen der Stromversorgung des Treibermoduls. Die nominale Speisespannung betragt 12V bis 15V. Um ein sicheres Starten des integrierten DC/DC-Wandlers zu garantieren, mu in unmittelbarer Nahe der Anschlue 9 und 10 ein schaltfester und niederinduktiver Elko plaziert werden. Die Kapazitat dieses Elko's sollte nicht kleiner sein als die Summe der an den Anschlussen Cs1 (Pin 34) und Cs2
Pin 36 {Pin 25} Ausgang G1 {G2}
Der Ausgang G1 {G2} ist der Treiberausgang fur die Gate-Ansteuerung. Diese erfolgt je nach Speisespannung mit +/-12V bis +/-15V, beziehungsweise je nach verwendeten Leistungstransistoren und Anwendung nur mit positiver
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Widerstanden und einer Diode verwendet werden (siehe Abb. 5). Unmittelbar zwischen Gate und Emitter sollten bei IGBT's unbedingt (anti-seriegeschaltete) Z-Dioden geschaltet werden, deren Zenerspannung genau der gewahlten Gatespannung (12V bis 15V) entspricht (siehe Abb. 10). Diese verhindern, da sich die Gatespannung infolge von parasitaren Einflussen (zB MillerEffekt) auf einen Wert erhohen kann, welcher hoher ist als die nominale Gatespannung. Eine zu hohe Gatespannung erhoht den Kurzschlustrom uberproportional und kann zur Zerstorung der Leistungshalbleiter fuhren. Ein ausreichend niederohmiger Abschlu des Gate ist vom Treibermodul auch dann gewahrleistet, wenn dieses nicht mit der Betriebsspannung versorgt wird.
Abb. 5 Asymmetrische Gate-Widerstande
Gatespannung (siehe Beschreibung Pin 35, COM1). Die Ausgangsstufen der Treiber der IHD-Reihe sind sehr kraftig dimensioniert. Der maximal zulassige Gate-Umladestrom betragt beim IHD215 1,5A, beim IHD280 und IHD680 jeweils 8A; dies erlaubt die Ansteuerung der groten IGBT- und Power-MOSFET-Module. Es besteht auch die Moglichkeit, eine Anzahl parallelgeschalteter Leistungsmodule direkt anzusteuern. Der Umladestrom mu durch einen externen Gatewiderstand begrenzt werden. Es ist zu beachten, da bei +/Ansteuerung des Gates der gesamte Spannungshub (zweimal 12 bis 15V) zu berucksichtigen ist. Das Gate des Leistungstransistors ist mittels einer moglichst kurzen Leitung mit dem Anschlu G1 {G2} zu verbinden. Um die Schaltgeschwindigkeit sowohl beim Ein- wie auch beim Ausschalten unabhangig voneinander einstellen zu konnen, kann eine GateBeschaltung mit zwei Gate-
Pin 33 {Pin 22} Anschlu E1 {E2}
Dieser Anschlu ist mit dem Emitterbzw Source-Anschlu des Leistungstransistors zu verbinden. Die Verbindung mu moglichst kurz und direkt zum Emitter- bzw. SourceAnschlu des Leistungselements gefuhrt sein. Bei Modulen mit HilfsEmitter oder Hilfs-Source ist dieser Anschlu zu verwenden. Der Anschlu dient auch als Fupunkt fur die Referenz, wobei die Referenz moglichst direkt am Anschlu E1 des Treibermoduls angeschossenen werden mu.
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Werden die Verbindungen zwischen einem Treiber der IHD-Reihe und einem Leistungstransistor mittels Verbindungsleitungen ausgefuhrt, so ist eine Lange von maximal 10 cm nicht zu uberschreiten und die Leitungen G1, E1 und der Meanschlu (Kollektor- bzw DrainAnschlu) sind pro Transistor verdrillt zu fuhren (siehe Abb 9). zwei seriegeschalteten Dioden vom Typ 1N4007 vorzusehen (siehe Abbildungen 6 und 10). Es wird unbedingt empfohlen, diese Dioden spannungsmaig uberzudimensionieren. Ein im Modul integrierter Pull-Up Widerstand sorgt bei eingeschaltetem Leistungstransistor dafur, da ein Strom durch die Mediode (Dme), den Dampfungswiderstand (Rme) und den Transistor fliet. Somit steht am Meeingang ME1 ein Potential an, welches der Durchlaspannung des eingeschalteten Transistors zuzuglich der Dioden-Durchlaspannung und dem Spannungsabfall an Rme entspricht. Rme dampft die Reversestromspitzen der Mediode Dme und ist mit 68 Ohm einzusetzen. Es ist zu beachten, da die Leistungstransistoren nicht unendlich schnell einschalten, insbesondere bei IGBT's kann es einige Mikrosekunden dauern, bis diese voll durchgeschaltet haben. Zusammen mit dem integrierten Pull-Up Widerstand und dem externen Kondensator (Cme) ergibt sich eine Verzogerung der Messung nach dem Einschalten des Leistungstransistors. Diese Verzogerung wird im folgenden Ansprechzeit genannt. Die Ansprechzeit (und somit Cme) mu umso groer gewahlt werden, je langsamer die Leistungstransistoren einschalten. Die Formel fur die Dimensionierung von Cme ist auf Seite 16 zu finden.
Pin 30 {Pin 19} Anschlu ME1 {ME2}
Dieser Anschlu dient der Messung des Spannungsabfalls am eingeschalteten Leistungstransistor, um den Schutz gegen Kurzschlu und Ueberlastung zu gewahrleisten. Es ist zu beachten, da dieser Anschlu keinesfalls direkt mit dem Drain bzw. Kollektor des Leistungstransistors verbunden werden darf. Um den Meanschlu vor der hohen Drain- bzw Kollektorspannung des ausgeschalteten Leistungselements zu schutzen, ist eine Beschaltung mit einer hochsperrenden Diode (Dme) oder
Abb. 6 Prinzip der Stromuberwachung
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Es ist weiterhin darauf zu achten, da negative Spannungen am Meeingang nicht zulassig sind. Ausgangen SO1+ und SO1- {SO2+ und SO2-} signalisiert. Nach Ablauf der Blockierzeit wird der Leistungstransistor erst wieder mit der nachstfolgenden Einschaltflanke eingeschaltet (siehe Abb. 7).
Pin 31 {Pin 20} Anschlu Cb1 {Cb2}
Nach Ansprechen der Stromuberwachung wird der Leistungstransistor durch die Schutzfunktion des intelligenten Treibers abgeschaltet und fur eine definierte Minimalzeit in diesem Zustand blockiert. Diese Funktion dient zum Schutz vor thermischer Ueberlastung bei dauerndem oder wiederkehrendem Kurzschlu. Diese Blockierzeit kann durch Beschalten von Pin 31 (Cb1) mit einem Kondensator gegen Pin 35 (COM1) {beziehungsweise Pin 20 (Cb2) gegen Pin 24 (COM2)} bestimmt werden (Formel siehe Seite 16). Der Blockierkondensator sollte einen Kapazitatswert von 470nF nicht uberschreiten. Das Ansprechen der Schutzfunktion auf Ueberstrom wird wahrend der Dauer der Blockierzeit an den
Pin 32 {Pin 21} Anschlu REF1 {REF2}
An diesem Pin wird eine externe Zenerdiode als Referenz angeschlossen. Damit wird festgelegt, bei welchem maximalen Spannungsabfall am eingeschalteten Leistungstransistor die Schutzfunktion der Ansteuerschaltung aktiviert und somit der Leistungstransistor abgeschaltet wird. Die Schutzfunktionen der intelligenten Halbbrucken-Treiber der IHD-Serie werden immer dann aktiv, wenn die Spannung an ME1 {ME2} (Messung Drain/Kollektor) hoher ist als die Spannung an REF1 {REF2} (siehe Abb. 6 & 7).
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Bezugspotential ist Pin 33 (E1). Die Referenz darf unter gar keinen Umstanden kapazitiv abgeblockt werden. Die Referenz-Diode mu moglichst nahe am Treibermodul angeordnet werden. die Umladung der Gatekapazitaten liefern konnen. Die Elko's werden zwischen Cs1 {Cs2} und COM1 {COM2} angeschlossenen. Da die Umladestrome fur die Gatekapazitat hauptsachlich aus diesen Elko's bezogen werden, mussen sich diese in unmittelbarer Nahe des TreiberModuls befinden. Die Anschlubelegung eignet sich dazu optimal. Empfehlenswert sind Kapazitaten bis 100F pro Kanal. Groere Werte sollten jedoch nicht verwendet werden, damit ein problemloses Starten des integrierten DC/DC-Wandlers garantiert werden kann.
Pin 34 {Pin 23} Anschlu Cs1 {Cs2}
An diesen Ausgangen werden schaltfeste und niederinduktive Abblockkondensatoren (meist werden Elko's verwendet) angeordnet, welche sekundarseitig den DC/DC-Wandler entkoppeln. Sie mussen die Pulsstrome (bis 8A) fur
Eingangsspannung +15V 0V Gatespannung +15V -15V
Laststrom 0A
Abschaltschwelle
Stauts-Signal 0V
Blockierzeit
t0 t1 t0 = Ausschalten des Transistors (Ueberstromschutz) t0 - 1 = Dauer der Blockierzeit (Ansteuersignale werden ignoriert) t
Abb. 7 Funktion der Blockierzeit
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Um ein sekundarseitiges "Hochlaufen" der Betriebsspannung zu verhindern, mu parallel zu den Abblockkondensatoren eine 16VZenerdiode oder ein TransientenSuppressor verwendet werden. Diese Dioden werden auf beiden Kanalen benotigt, auch dann, wenn ein Kanal nicht verwendet wird. Diese Dioden sollten fur eine Verlustleistung von 1,3W ausgelegt sein.
IHDxxx
30 ME1
Rme Dme
36 32 35
G1 REF1 Dref COM1
Cme Rg
Pin 35 {Pin 24} Anschlu COM1 {COM2}
Dies ist der Maeanschlu des sekundarseitigen Abblockkondensators. Er dient gleichzeitig auch als Bezugspotential fur das Mefilter und die Kondensatoren Cb1 {Cb2}. Anstelle von E1 {E2} kann auch der Anschlu COM1 {COM2} mit der Source eines Power-MOSFET's verbunden werden. In diesem Fall mu dann die Referenz ebenfalls auf diesen Anschlu gelegt werden. Diese Schaltung ermoglicht die Ansteuerung von Power-MOSFET's ohne negative Gate-Spannung. Dies bedeutet, da der Transistor im ausgeschalteten Zustand mit 0V angesteuert wird (Unipolare GateAnsteuerung, siehe Abb. 8). Der Anschlu E1 {E2} bleibt bei dieser Schaltung unbenutzt und darf unter keinen Umstanden mit COM1 {COM2} zusammengeschaltet werden. Fur IGBT's ist diese Methode der Gate-Ansteuerung in der Regel nicht sinnvoll, da insbesondere bei
Pin 33 (E1) bleibt offen
Abb. 8 Unipolare Gate-Ansteuerung
japanischen Chips und bei groeren Modulen mit negativer Gatespannung gearbeitet werden sollte.
Anordnung auf dem Leistungsteil
Die Treiber der IHD-Serie sollten moglichst nahe an den Leistungstransistoren angeordnet werden. Die Verbindungsleitungen zu den Transistoren sollten moglichst kurz, das heit je nach Gatestrom und Schaltgeschwindigkeit maximal 10cm lang sein. Demgegenuber durfen die Eingangsleitungen etwa 25cm lang sein (siehe Abb. 9). Allerdings ist dabei, wie weiter vorne beschrieben, auf eine saubere Leiterfuhrung zu achten.
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+15V
Leitungen verdrillen
IN2+ IN2-
ME2 G2 E2
IHDxxx
IN1+ IN1ME1 G1 E1
Leitungen verdrillen
max. 25cm Elektronik-GND
max. 10cm Leistungs-GN
Abb. 9 Korrekte Leiterfuhrung
Formeln fur die Berechnung der Beschaltung Ansprechzeit-Kondensator
Cme = -- ---------------------- 1,5k ln cc (-- -- -- -- -- ) Vcc - Vref V
Anwendungsbeispiel: 80kW Umrichter
In Abb. 10 ist eine Phase eines dreiphasigen Umrichters fur eine Leistung von etwa 80kW dargestellt. Die nutzbare Ausgangsleistung ist selbstverstandlich abhangig von der Zwischenkreisspannung und der Taktfrequenz des Umrichters. Mit dem IHD680 konnte der Umrichter grundsatzlich mit Frequenzen bis weit oberhalb von 20kHz betrieben werden, allerdings entstehen bei diesen Frequenzen in den IGBT's erhebliche Schaltverluste und die Ausgangsleistung mu entsprechend heruntergesetzt werden. Die Treiberleistung des IHD680 ist auch ausreichend fur eine Parallelschaltung mehrerer solcher Module. Fur Taktfrequenzen unter 10kHz ist ein IHD280 fur dieses IGBTModul ausreichend. Der Wechselrichter ist in der abgebildeten Schaltung (Abb. 10) als komplett zusammengebautes und getestetes Evaluation-Board von
ta
Blockierzeit-Kondensator
bei +/- Gate-Ansteuerung
Cb = ---------- 71,6k = 470nF
tb
Cb max
bei Unipolarer Gate-Ansteuerung
Cb -- = ---------------------- 100k Cb max = 470nF 2 * Vcc ln (-- -- -- -- ) Vref
tb
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+15V IHD680AI/AN MC33151 ME2 18 17 IN2+ IN2G2 Ref2 Cb2 Cs2 19 25 21 20 23 1N4007 1N4007 Rm2 Dm21 Dm22 68 SB140 10 10 15V 15V 4 5 +400...800Vdc
SIEMENS
Q1 3 BSM200GB120D
oben
220n
unten
+15V
4 3
IN1+ IN1COM2 E2 VCC GND ME1
+ Cs2
24 22 120uF
Ds2 16V
Cb2
Cm2 Ref2 6V2
330nF 4n7
+
GND +15V 250uF GND
10 9
30 36 32 31 34
1N4007 1N4007 Rm1 Dm11 Dm12 68 SB140 10 10 15V 15V 6 7 2
1
Status2
+15V
15 16
SO2+ SO2-
Status1
1 2
G1 Ref1 Cb1 Cs1
SO1+ SO1COM1 E1
+ Cs1
35 33 120uF
Ds1 16V
Cb1
Cm1 Ref1 5V6
330nF 4n7
15k GND
15k GND
Leistungs-GND
Abb. 10 Anwendung eines IHD680AI/AN: Phasenzweig eines 80kW-Wechselrichters
CONCEPT erhaltlich (siehe auch Abschnitt Evaluation-Boards"). Das Evaluationsboard enthalt auch eine niederinduktiv aufgebaute Elkobatterie. Wie im Schaltplan angedeutet, sollen die Ansteuerleitungen moglichst nah an die IGBT's angeschlossen werden. Fur Gate und Emitter sind spezielle Stecker vorgesehen. Leider hat aber das Modul keine Kollektor-SenseAnschlusse. Fur die Vce-Messung des unteren" IGBT's bietet sich der Hilfsemitter-Anschluss des oberen" IGBT's an (siehe auch Abb. 11). Die Vce-Messung soll keinesfalls an der Leistungsklemme 1 des Moduls angschlossen werden, da dieser Anschlu von der Geometrie her sehr ungunstig liegt und das di/dt des Laststroms die Messspannung verfalscht. Fur die Vce-Messung des oberen" IGBT's gibt es keine andere Alternative, als die Leistungsklemme 3 zu verwenden (siehe auch Abb. 11). Diese liegt aber von der Geometrie her gunstiger als die Klemme 1 und das Ergebnis ist akzeptabel. Der durch das di/dt verursachte Spannungsabfall in der modulinternen Zuleitung von Klemme 3 zum IGBT-Chip ist auch der Grund, warum die Referenzdiode Ref2 einen hoheren Wert als Ref1 aufweist, so da der Ueberstromschutz bei beiden IGBT's in etwa bei gleichen Stromwerten aktiv wird.
Abb. 11 So wird das IGBT-Modul richtig angeschlossen
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Evaluation-Boards
Um dem Anwender einen schnellen Einstieg in die IGBT-Technik und in das bei den intelligenten Halbbrucken-Treibern der IHD-Serie angewandte Schutzkonzept zu ermoglichen, bietet CONCEPT diverse Evaluationboards und Leistungsstufen an. Es werden komplett aufgebaute und getestete Halbbrucken-Evaluation-Boards mit unterschiedlichen IGBT-Typen angeboten. Weiterhin bietet CONCEPT fertig konstruierte und aufgebaute 3-Phasen-Brucken mit IGBT-Modulen an. Verlangen Sie dazu weitere Unterlagen. Zusammen mit der Dokumentation lassen sich mit diesen Boards betriebsbereite Prototyp-Gerate innert Stunden aufbauen. Schwierigkeiten bei der stungselektronik-Entwicklung. Lei-
Trouble-Shooting & Support
CONCEPT bietet Entwicklern schnelle und effektive Hilfe bei Problemen in Leistungselektronik-Entwicklungen an.
Applikation
CONCEPT berechnet und dimensioniert Leistungsteile und Treiberschaltungen nach Spezifikation des Kunden und liefert komplette Schaltplane, Stucklisten sowie elektrische und thermische Kenndaten der Schaltung; der Kunde realisiert dann Layout und Konstruktion des Gerats selbst.
Kundenspezifische Gerate
CONCEPT entwickelt und produziert nach Kundenspezifikation komplette Gerate und Systeme.
Weitere Dienstleistungen
CONCEPT stellt die langjahrige praktische Erfahrung seiner Entwicklungsund Applikationsingenieure allen interessierten Anwendern zur Verfugung. Hierbei bietet CONCEPT verschiedene Dienstleistungen an:
Qualitat
Die Verpflichtung zur Qualitat ist einer der zentralen Punkte im Leitbild der CT-Concept Technologie AG. Das Total Quality Management (TQM) umfat alle Stufen von Produktentwicklung und der Fabrikation bis zur Auslieferung. Die Treiber der IHD-Serie werden nach der Qualitatsnorm ISO9001 hergestellt.
Beratung & Schulung
CONCEPT berat und schult Kunden uber die optimale Vorgehensweise, die ideale Schaltungstopologie und die Vermeidung moglicher
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Ausschluklausel
CONCEPT behalt sich das Recht vor, jederzeit ohne vorherige Ankundigung Aenderungen der technischen Daten und der Produktspezifikationen vorzunehmen. Es gelten die Allgemeinen Lieferbedingungen der CT-Concept Technologie AG.
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Bitte mit einem Fotokopierer auf DIN-A4 vergroern, zutreffendes bitte ankreuzen Absender ausfullen und an CONCEPT oder Ihren CONCEPT-Vertriebspartner faxen!
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Bitte senden Sie uns weitere Informationen:
t Uebersicht uber alle Ansteuerschaltungen von CONCEPT t Uebersicht uber DC/DC-Wandler mit hoher Isolationsspannung von CONCEPT
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