Adaptive Ansteuerverfahren für IGBTs mit digitalisierten Treiberstufen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Axel Mertens
• Subject Area: Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives
• Term: from 2009 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 114994320

Heutzutage gewährleisten einfache Ansteuerkreise in Analogtechnik den sicheren Betrieb von Halbleiterbauelementen und bieten teilweise Einfluss auf deren transientes Schaltverhalten. Die Einfluss- und Optimierungsmöglichkeiten dazu sind Gegenstand umfangreicher Literatur. Die verwendeten Stellgrößen lassen sich einteilen nach Gatewiderstand, Treiberspannung und Gatestrom. In den neueren Arbeiten wird der Gatestrom als Stellgröße bevorzugt, weil er den direktesten Einfluss auf das Schaltverhalten zeigt. Die Digitalisierung von Ansteuerschaltungen für IGBTs eröffnet die Möglichkeit, auch komplexere Ansteuerverfahren zu entwickeln und beispielsweise einen phasenweise optimierten Gatestrom vorzugeben. Optimierungsziel können dabei Schaltverluste oder auch Schaltzeiten sein. In der Literatur wird die Digitalisierung bislang nur vorsichtig und mit begrenzter Komplexität eingesetzt, beispielsweise um ein analoges Ansteuerverfahren in seinen Parametern anzupassen. Ziel des beantragten Projektes ist es, die Potentiale einer möglichst weitgehend digitalisierten Treiberstufe zu untersuchen. Durch die digitale Messwerterfassung, Auswertung der Messung und Weiterverarbeitung zu einer digitalen Vorgabe des Gatestroms eröffnen sich neue Möglichkeiten. In einem ersten Schritt soll das Schaltverhalten eines IGBT nicht nur in einzelnen Betriebspunkten, sondern im gesamten Betriebsbereich von Strom, Spannung und Temperatur bezüglich der Schaltzeiten, Schaltverluste und Strom- und Spannungsgradienten adaptiv optimiert werden. Die Optimierung der Ansteuerung soll dabei durch Auswertung von vergangenen Schaltvorgängen und daraus abgeleiteten Parameteradaptionen erfolgen. Hierbei ergeben sich bezüglich der Latenzzeit der Messung, die in Vorarbeiten als Engpass identifiziert wurde, geringere Anforderungen und somit hervorragende Erfolgsaussichten. Das Projekt zielt dabei auf hohe Leistungen und Spannungen, weil hier der Nutzen einer Optimierung am größten ist, der zusätzliche Aufwand auf der Treiberstufe wirtschaftlich leichter gerechtfertigt werden kann und die Schaltvorgänge wegen ihrer moderaten Geschwindigkeit am ehesten einer digitalen Messwerterfassung und Ansteuerung zugänglich sind. In einem weiteren Schritt sollen die Möglichkeiten und Grenzen für eine direkte digitale Regelung der Schaltvorgänge untersucht werden. Voraussetzung dazu ist eine Treibereinheit mit extrem schneller A-D-Wandlung und schnellen Taktraten. Erfolgsaussichten sind insbesondere für die langsameren Phasen eines Schaltvorgangs gegeben, so dass möglicherweise ein hybrides Verfahren die besten Ergebnisse liefert. Durch die digitale Realisierung der Treibereinheit eröffnen sich darüber hinaus Möglichkeiten zur Überwachung von IGBT-Parametern, die Rückschlüsse auf die Ausfallwahrscheinlichkeit des IGBTs zulassen und somit die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessern können.“

• DFG Programme: Research Grants