Leistungsarme Ansteuerschaltungen für insulated gate bipolar transistors (IGBT) und deren Energieversorgung

In der Arbeit „Leistungsarme Ansteuerschaltungen für Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) und deren Energieversorgung“ werden Möglichkeiten zur Integration der Energieversorgung von Ansteuerschaltungen für IGBT in das Modulgehäuse aufgezeigt. Für die dafür notwendigen, aus dem Zwischenkreis (560 V) eines Wechselrichters gespeisten DC-DC- Wandler werden zwei Konzepte entwickelt, das der piezoelektrischen und das der magnetischen Energieübertragung. Eine neuartige quasiresonante Ansteuerschaltung für IGBT wird vorgestellt, die sich durch eine reduzierte Leistungsaufnahme auszeichnet. Das Schaltverhalten von IGBT wird in einer praxisnahen Testschaltung untersucht und der Einfluß von parasitären Elementen im Gatekreis diskutiert. Aus den gewonnenen Ergebnissen wird sowohl ein meßtechnischer als auch ein analytischer Vergleich der konventionellen resistiven mit der neuartigen quasiresonanten Gateansteuerung hinsichtlich des Energiebedarfs und der sich ergebenden Schalteigenschaften des IGBT vollzogen. Der Schutz des IGBT vor Überspannungen und Überströmen wird als weiterer Punkt diskutiert. In diesem Zusammenhang wird eine neuartige Kurzschlußerkennung durch Überwachung der Emitterstromänderungsgeschwindigkeit erwähnt. Im Rahmen der piezoelektrischen Energieübertragung werden unterschiedliche piezoelektrische Übertrager vorgestellt. Mit Hilfe eines Ersatzschaltbildes und der Kenntnis der Ersatzelemente des piezoelektrischen Übertragers wird eine umfangreiche Analyse der Übertragungseigenschaften vollzogen. Ein Vergleich der daraus gewonnenen Ergebnisse mit Messungen an einem piezoelektrischen Übertrager schließen die Untersuchung des Kleinsignalverhaltens ab. Die Simulation der elektromechanischen Interaktion unterschiedlicher piezoelektrischer Übertrager mit dem Finite-Elemente Programm ANSYS resultiert in einem weiteren, theoretisch orientierten Kapitel. Die Schwingungsformen, die daraus resultierenden mechanischen Spannungen, die elektrische Feldstärke und die sich ergebende Eingangsimpedanz wird dargestellt. Im Anschluß an eine einführende Erläuterung der für den Betrieb piezoelektrischer Übertrager notwendigen Ansteuerschaltung wird der realisierte DC-DC-Wandler vorgestellt. Die bei geringem Bauvolumen und einer Eingangsnennspannung von 560 V realisierbare Ausgangsleistung liegt bei ca. 1 Watt. Die kapazitive Verkoppelung der primären und sekundären Seite beträgt dabei ca. 5 pF. Die Untersuchung der Streuung der elektrischen Eigenschaften eines Übertragertyps und die Untersuchung des durch den Herstellungsprozeß bedingten Einflusses auf die Eigenschaften eines Übertragers schließen die Ausführungen über die piezoelektrische Energieübertragung ab. Der entwickelte DC-DC-Wandler mit magnetischer Energieübertragung zeichnet sich durch die Art und Anzahl der verwendeten Bauelemente aus. Er besitzt als aktive Elemente lediglich zwei Schalttransistoren. Deren Ansteuerung und die Takterzeugung werden durch einen bis in die Sättigung hinein betriebenen SMD-Übertrager erreicht. Die induktive Energieauskopplung erfolgt durch miniaturisierte Übertrager mit Rollenkem. Bei einer Eingangsspannung von 560 V und einer Schaltfrequenz von ca. 150 kHz wird bei einer Ausgangsleistung von 4 W ein Wirkungsgrad von ca. 50 % erreicht. Die kapazitive Verkopplung ist kleiner als 10 pF.