Vorlesung Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik. IGBT-Ansteuerung

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1 Vorlesung Umwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik IGBT-Ansteuerung direkte Regelung der transienten Kollektor-Emitter-Spannung von Hochleistungs-IGBTs Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik

2 Vorteile einer aktiven Spannungsregelung: du/dt einstellbar Reduzierung von Wanderwellen in der Motorzuleitung Reduzierung der EMI (Electromagnetic Influence ) Begrenzung der Überspannung am Kollektor Vorteile

3 G C E Regelstrecke Aufbau

4 Aufbau und Ersatzschaltbild des IGBTs

5 Kapazität der Raumladungszone und der Oxidschicht Miller-Transformation C M1 =C GD *(1-V U ) C M2 vernachlässigbar Ersatzschaltbild des IGBTs

6 -U s = L s *di/dt Freilaufdiode Millerkapazität sperrt wird größer Sättigungs-Spannung erreicht U CE sinkt Ausräumen der Freilaufdiode Millerkapazität wird nachgeladen Einschaltvorgang abgeschlossen Einschaltvorgang: +15V ans Gate Aufladen der Eingangskapazität Ladungsträgeranlagerung Schwellenspannung am Gate Einschaltverhalten IGBT Induktive Last

7 Anlegen von 0 V U ce Freilaufdiode steigt langsam, da übernimmt viele Ladungsträger Laststrom aus dem Basisgebiet abgeführt werden Ausschaltvorgang Bis MOS-Kanal müssen anfängt abgeschlossen zu sperren di/dt verursacht Überspannung von U ce Entladen der internen Kapazitäten Rekombination der Löcher (interne Kapazität wird entladen Plateau -Phase ) Ausschaltverhalten IGBT Induktive Last

8 Regelung des IGBTs im aktiven Bereich Entladung der internen Kapazitäten (Plataeu-Phase) bevor Regelung möglich Idee: Vorstufe in Sollwertgenerator Sollwertgenerator

9 Sollwertkurve Vorstufe beim Einschalten Vorgabe des Spannungs- Gradienten Vorstufe beim Ausschalten Sollwertkurve

10 Spannungsgradient Vorstufenlänge Vorstufenhöhe offset Sollwertgenerator

11 Bestimmung der Übertragungsfkt.: Durch Einheitssprung auf IGBT wenn der IGBT im aktiven Bereich Durch Berechnung über Ersatzschaltbid (z.b.: Hefner, Saber) Regelstrecke im aktiven Bereich des IGBTs Problem: Hersteller geben nicht alle Produktinformationen weiter Dotierungshöhe und Fläche der Halbleiterschichten fehlen mit Vorstufen Aufbau

12 Ermittlung der Übertragungsfkt. durch Einheitssprung mit Simulationsprogramm: Verwendung des Simulationsprogramm PSpice In PSpice komplette Modelle des IGBTs (Saber) hinterlegt Ergebnis: PT1 Strecke mit kleiner Totzeit Übertragungsfunktion

13 Regelung der PT 1 -Strecke mit Totzeit Prinzipiell mit PI- und PID-Regler möglich Durch Totzeit im System keine rechnerische Optimierung möglich Bestimmung der Regelparameter über PSpice Deswegen PI-Regler wegen einfacherer Einstellbarkeit Regelung

14 PT-Strecke PT1-Strecke Vereinfachter Regelkreis

15 Regelschaltung

16 Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Messungen am IGBT mit aktiver Spannungsregelung

17 du/dt = 360 V/µs du/dt = 900 V/µs Einschaltvorgang versch. Spannungsgradienten

18 du/dt = 360 V/µs du/dt = 900 V/µs Ausschaltvorgang versch. Spannungsgradienten

19 Max. du/dt = 900 V/µs 7mJ 7mJ 8,32mJ 15,9% 8,32mJ Weniger Schaltverluste mit aktiver Regelung Treiber mit U CE -Regelung (10W) Konventioneller Treiber (120W) Treibervergleich - Einschaltvorgang

20 Max. du/dt = 900 V/µs 7,98mJ 7,98mJ 9,6mJ Weniger Schaltverluste mit aktiver Regelung 16,9% 9,6mJ Treiber mit U CE -Regelung (10W) Konventioneller Treiber (120W) Treibervergleich - Ausschaltvorgang

21 Schaltverlustveränderung bei verändertem Spannungsgradienten 1-(E aktiv /E konv. ) [%] 15% 900 V/µs du/dt [V/µs] Treibervergleich

22 Zusammenfassung/Ergebnisse du/dt ist einstellbar (zwischen slew rate des OPs und beliebiger Integratorkapazität) Begrenzung der Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT (solange IGBT in SOA) Verlustleistung während des Schaltvorgang um ca. 15% geringer (bei 900 V/µs) als ein konventioneller Treiber mit gleichem max. du/dt Zusammenfassung/Ausblick