Skip to main content
main-content

26.11.2013 | Mikroelektronik | Interview | Onlineartikel

„Damit reduzieren Sie die Verlustleistung erheblich“

Autor:
Andreas Burkert

Viele elektronische Schaltungen ticken nicht richtig. Vor allem bei Wirkungsgrad und Effizienz fallen sie durch. Ein Unding, meint Norbert Pieper von Vishay und erzählt, wie einfach es ist, etwa mit IGBTs energieeffiziente Schaltungen zu entwickeln.

Springer für Professionals: Herr Pieper, die Voraussetzung für einen besseren Wirkungsgrad und eine höhere Ausbeute sind energieeffiziente Leistungsbauteile und deren kluge Kombination. Können Sie das genauer erklären?

Norbert Pieper: Kluge Kombinationen kommen in den meisten elektronischen Anwendungen zum Tragen, damit die Systeme leistungseffektiv arbeiten, beispielsweise im Automobil: Hier kennzeichnen starke Spannungsschwankungen, Transienten, hohe Impuls- und Rippelströme das anspruchsvolle Lastumfeld. Dazu kommen intensive äußere Belastungen wie extreme Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Vibration, hohe Betriebstemperaturen, ebenso wie hohe Qualitätsanforderungen durch Normen (etwa AEC-Q200; S16949).

Was aber ist nun eine kluge Kombination?

Die Bauteile verschiedenster Hersteller müssen reibungslos miteinander funktionieren, strenge Kriterien betreffend elektromagnetische Abstrahlung erfüllen und eine immer höhere Genauigkeit wegen immer kleiner werdender Toleranzwerte erzielen. Das alles bei extrem geringem Platz. Nicht zu vergessen ist der wirtschaftliche Faktor des Designs, der am Ende über den Erfolg oder Misserfolg eines Konzeptes entscheidet und immer einen Kompromiss zwischen idealer Kennlinie und optimalem Arbeitspunkt darstellt.

Kompromisse gehören eben zum Alltag eines Ingenieurs. Oder kommt es noch schlimmer?

Nicht unbedingt schlimmer. Aber es sind noch weitere Vorgaben zu beachten. So sind Verfahrensfragen wie die Lötbarkeit und Kombination von sehr großen und sehr kleinen Bauteilen in enger Nachbarschaft auf einer SMD-Leiterplatte, oder die Prozessfähigkeit der einzelnen Bauteile sehr wichtig. Nicht zuletzt spielt auch die Verfügbarkeit der Komponenten zum Zeitpunkt des Produktionseinsatzes eine wesentliche Rolle – die gesamte Wertschöpfungskette ist also von entscheidender Bedeutung für eine kluge Kombination. Bedenkt man, dass nur die Start-Stop-Funktion in den Automobilen eine Verbrauchsoptimierung von rund 8 % erzielt, zeigt das die Wichtigkeit eines reibungslosen Zusammenspiels der involvierten elektronischen Bauelemente.

Verbrauchsoptimierung respektive Effizienz ist das Schlüsselwort dieser Tage. Wie gelingt es dem Entwickler, eine elektronische Schaltung auf Stromabstinenz zu trimmen?

Der Entwickler möchte immer einen sehr hohen Wirkungsgrad (Effizienz) für seine Applikation erzielen. Hat beispielsweise ein Schaltregler mit 1kW Ausgangsleistung einen Wirkungsgrad von 94%, so bedeutet dies einen Gesamtverbrauch von 1kW + 60W. Leider kann man nicht immer die ideale und höchste Effizienz realisieren, da die Kosten eine große Rolle spielen. Würde man heute für die Netzgleichrichtung (AC/DC) statt Gleichrichterdioden aktive Gleichrichtung (synchrone Gleichrichter) einsetzen, hätte man nur etwa 1/10 des Spannungsabfalls, was die Verlustleistung schon erheblich reduziert.

Unnötiger Strom ist auch Leck- oder Kriechstrom. Ist eine Last nicht aktiv, sollte das Design auch keine versteckten Kriechströme oder Leckströme nachweisen. Ob man einen Verpolschutz mit einer Diode oder mit einem MOSFET realisiert, macht einen etwa 100-fachen Unterschied an Kriechströmen aus. Das bedeutet: Durch umsichtige Auswahl der Komponenten und Berücksichtigung des Driftverhaltens bei unterschiedlichen Bedingungen kann ein optimaler Arbeitspunkt im gesamten Lastbereich garantiert werden - und damit wird die Effizienz gesteigert.

Lesen Sie auf der nächsten Seite, wie sich der Markt für IGBTs zum Multi-Milliarden-Markt entwickelt und mit welchen Tricks sich IGBTs optimal ansteuern lassen.

Spannungsgesteuerte Leistungshalbleiter, sogenannte IGBTs, sind derzeit sehr beliebt. Analysten erwarten, dass der Markt dafür von aktuell etwa 4 Mrd. Euro auf 6 Mrd. Euro in 2018 anwachsen wird. Welche Features erwarten die Ingenieure von modernen IGBTs?

Die Bauteile müssen zuverlässig funktionieren und eine maximale Stromdichte per Zelle sowie niedrigste Schaltverluste garantieren. Das sichert Vishay mit der langjährig entwickelten Trench MOS-Technologie. Entwickler erwarten eine spezielle Anpassung an die jeweilige Anwendung, etwa für die Motorsteuerung. Hier können wir durch spezielle Behandlungsverfahren und Dotierungen der Wafer die Eigenschaften der IGBT hinsichtlich Sättigungsspannung (Vcesat) und Ausschaltverlustenergie (Eoff) optimal justieren. Weiterhin muss ein moderner IGBT eine gewisse Kurzschlussstromfestigkeit aufweisen, um einen sicheren Betrieb auch beim Schalten von großen Lasten zu gewährleisten.

Beim Schalten großer Lasten ist wiederum Energieeffizienz gefordert. Wie lassen sich IGBTs darauf trimmen?

Um die Effizienz von Umrichtern zu steigern, sind auch bei den Freilaufdioden für die IGBTs entsprechende Verbesserungen notwendig. Als perfekte Ergänzung zielen die FRED Pt GEN2 Bauteile vorrangig auf Halbleitermodule für Umrichter-Applikationen ab. Die neueste Generation FRED Pt GEN4 adressiert sowohl die Anforderung hinsichtlich niedrigen Spannungsabfall (Vf) und Abschaltladung (Qrr) als auch weiches Schaltverhalten, geringe Schaltverluste und niedrige Rückstromwerte (Irrm). Indem diese Eigenschaften das EMI-Verhalten verbessern und die Effizienz steigern, leisten sie einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung der ErP-Verordnung zur Erreichung der Energieeffizienzklassen IE3 und IE4 bei etwa Motorumrichtern.

Gibt es besondere Tricks, um IGBTs optimal anzusteuern?

Die ideale Ansteuerung gibt es nicht. Die wichtigste Herausforderung ist, zunächst eine galvanisch getrennte Ansteuerung für IGBTs zu wählen. Diese Ansteuerung, ob durch optische und magnetische Koppler oder auch Gate Transformatoren, hat einen entscheidenden Anteil an der Gesamtperformance. Die Ansteuerung eines IGBT ist mit der eines MOSFETs vergleichbar. Zunächst kommt es darauf an, den richtigen Gate-Vorwiderstand (Rg) zu ermitteln, um ein optimales Schalten zu ermöglichen.

Mit der Gatebeschaltung werden die Schaltverzögerungen und Schaltverluste wesentlich bestimmt. Besonders ist auf niedrige Eigeninduktivität der Gatebeschaltung zu achten, damit es nicht zum Oszillieren oder ungewollten Schaltvorgängen der IGBTs kommt. Hier können wir besonders hochstabile Metallschicht MELF Widerstände oder impulsfeste Flachchips empfehlen. Auch muss auf eine ausreichende Gatespannung von möglichst größer 13V geachtet werden. Besonders zu beachten ist bei hartem, schnellem Schalten die Eingangskapazität Ciss des IGBT. Gegebenenfalls sollte man mit negativer Gate-Emitter-Spannung (Vge) arbeiten.

Energieeffizientes Schaltungsdesign ist also möglich. Wo der Teufel aber im Detail steckt und welches die häufigsten Fehler sind, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Welches sind die häufigsten Fehler beim Design leistungselektronischer Schaltungen?

Beziehen wir uns auf die Leistungsschalter, so ist die Antwort von vielen Faktoren und Umgebungsbedingungen abhängig. Hat man eine hohe Schaltfrequenz (f >100kHz), so werden die Fehler größtenteils durch die Nichtbeachtung von hohen Transienten und damit verbundener Störstrahlung verursacht. Bei niedrigen Schaltfrequenzen (f ≤ 20kHz) sind die Probleme größtenteils thermisch bedingt; die Folgen können neben der Überhitzung der Schalter auch eine ungewollte Erhitzung von benachbarten Bauteilen sein, welche wiederum Fehler oder hohe Driften verursachen. Die Leistungsschalter verursachen je nach Last (kapazitiv oder induktiv) unterschiedliche Verzögerungen. Diese Verzögerungen inklusive der induktiven Überspannungen beim Ausschalten (beziehungsweise Stromspitzen bei kapazitiven Lasten) sind in erster Linie Verluste, die man so gering wie möglich halten möchte.

Wird das beachtet, ist der Erfolg nicht unbedingt garantiert. Oftmals verderben Bauteile auf - sagen wir - Nebenschauplätzen die Effizienz der gesamten Schaltung.

Richtig. Meistens vergessen die Entwickler, wie wichtig das Driften von einem einfachen Widerstand in der Treiberkette sein kann. Die Eigeninduktivität als auch die Eigenkapazität von einem einzigen Bauelement kann bei schnellen Schaltvorgängen (IGBT / MOSFET) zu verschiedenartigen, auch vom Leiterplattenlayout abhängigen Störungen führen. Kurze Leitungswege, abgestimmte Impedanzen und definierte reproduzierbare Schaltflanken sind daher unabdingbar. Bei IGBTs sind die Ausschaltverluste, wegen des Ausschalt-Strom-Verlaufs (Tailstrom), üblicherweise größer als bei MOSFETs. IGBTs blockieren normalerweise den Rückstrom nicht und benötigen daher eine Paralleldiode, die im Ausschaltfall leitend ist und für den Abbau der freien Ladungsträger sorgt, bis der IGBT vollständig gesperrt ist. Die Diode ist hierbei extrem bestimmend für die Schaltverluste und Effizienz des Gesamtsystems. Ist die Diode zu langsam, ergeben sich zwar sehr weiche Schaltvorgänge, aber hohe Verluste. Ist die Diode zu schnell, so erzeugt man hohe Störimpulse, die das Gesamtsystem beeinflussen, indem sie hohe Störspannungsspitzen und Schwingen verursachen.

Das wird Sie auch interessieren:

Trends und Entwicklungen in der Hochspannungstechnik

Weiterführende Themen

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2007 | OriginalPaper | Buchkapitel

Leistungselektronik

Quelle:
Vieweg Handbuch Elektrotechnik

2011 | Buch

Leistungselektronik

Einführung in Schaltungen und deren Verhalten

01.06.2006 | Power Electronics | Ausgabe 2/2006

Alternative drives support growth of power electronics

2013 | Buch

Elektrische Energietechnik

Grundlagen, Energieversorgung, Antriebe und Leistungselektronik

01.02.2011 | Gastkommentar | Ausgabe 1/2011

Leistungselektronik fehlt die Reife

Premium Partner

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Whitepaper

- ANZEIGE -

Grundlagen zu 3D-Druck, Produktionssystemen und Lean Production

Lesen Sie in diesem ausgewählten Buchkapitel alles über den 3D-Druck im Hinblick auf Begriffe, Funktionsweise, Anwendungsbereiche sowie Nutzen und Grenzen additiver Fertigungsverfahren. Eigenschaften eines schlanken Produktionssystems sowie der Aspekt der „Schlankheit“ werden ebenso beleuchtet wie die Prinzipien und Methoden der Lean Production.
Jetzt gratis downloaden!

Marktübersichten

Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen. 

Bildnachweise