Adaptive Ansteuerverfahren für IGBTs mit digitalisierten Treiberstufen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes konnten die Potentiale einer automatischen Optimierung des Schaltverhaltens von IGBTs bei veränderlichen Betriebspunkten unter Anwendung der Digitaltechnik aufgezeigt werden. Bereits heute ist eine Tendenz zur Digitalisierung der Ansteuerung von Halbleiterbauelementen unübersehbar. Dabei werden aber konventionelle Endstufen verwendet, so dass nur wenige Eingriffsmöglichkeiten in den Schaltvorgang bestehen. Ein betriebspunktabhängig optimiertes Schalten der Leistungshalbleiter konnte nun mithilfe der in diesem Projekt entwickelten Digitale Gate Unit (DGU) realisiert werden, ohne dass ausführliche Informationen über den Aufbau und die inneren Eigenschaften des Bauelements benötigt werden. Durch die gezielte Beeinflussung des Gatestroms während der Schaltvorgänge lassen sich verschiedene zu optimierende Größen, wie Spannungs- und Stromsteilheiten, einzeln regeln, um das Halbleiter-Bauelement in jedem Betriebspunkt optimal auszunutzen. Im Umrichterbetrieb können dadurch z.B. die Schaltverluste durch automatische Anpassung des Schaltverhaltens an die aktuell herrschenden Bedingungen minimiert und folglich der Wirkungsgrad des Systems verbessert werden. Zu diesem Zweck wird eine spannungsgesteuerte Stromquelle verwendet, die abschnittweise konstante Ströme zur Ansteuerung des Bauelements liefert. Die Stromwerte sind betriebspunktabhängig in einer Tabelle (LUT) hinterlegt und werden mithilfe einer Recheneinheit, bestehend aus einem FPGA mit einem integrierten Mikrocontroller, hinsichtlich der gewünschten Ziele permanent im Hintergrund optimiert. Die hierzu notwendigen Informationen werden anhand einer Erfassung und Auswertung relevanter Größen während des Schaltvorgangs durch schnelle Signalwandler und eine digitale Logik ermittelt. Bei Schaltfrequenzen unterhalb 1 kHz ist die Dauer der statischen Zustände immer ausreichend, um die Adaptionsrechnung für die Steuerströme als Stellgrößen für den nächsten Schaltvorgang durchzuführen. Eine stabile Regelung verschiedener Größen, wie der Stromanstieg beim Einschalten oder der Spannungsanstieg beim Ausschalten, konnte realisiert und anhand von Messungen verifiziert werden. Aufgrund von Einschränkungen in der technischen Realisierung und in den physikalischen Eigenschaften des Bauelements sind jedoch noch nicht alle Schaltphasen, wie die Phasen der fallenden Strom- und Spannungsflanken, beherrschbar. In einer weiteren Untersuchung bezüglich der direkten digitalen Regelung des Schaltverhaltens sind Anforderungen aufgezeigt worden, die durch die hier entwickelte digitale Gate Unit noch nicht erfüllt werden. Die noch zu großen Latenz- und Rechenzeiten einiger Komponenten im Regelkreis verhindern die unmittelbare digitale Regelung der zu optimierenden Größen während des Schaltvorgangs. Verbesserungen, wie z. B. durch schnellere Analog-Digital-Wandler, sind zu erwarten und sollen in naher Zukunft untersucht werden. Neben der automatischen Optimierung des Schaltverhaltens von Halbleiter-Bauelementen eröffnet die Langzeitüberwachung von relevanten Parametern mithilfe digitaler Technik ebenfalls neue Anwendungsmöglichkeiten z. B. zur Überwachung und Vorhersage von Ausfällen oder Restlebensdauern der Bauelemente. Dieser Aspekt ist u. a. bei Offshore-Windkraftanlagen von großer Bedeutung, da Wartungs- und Reparaturarbeiten dort mit hohem Aufwand und Kosten verbunden sind, und soll in der zukünftigen Fortführung der Arbeiten zur Digitalen Gate Unit berücksichtigt werden.
Publications
- “On-line Junction Temperature Measurement of IGBTs based on Temperature Sensitive Electrical Parameters”, European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2009, Barcelona, Spanien
H. Kuhn und A. Mertens
- “Adaptive Ansteuerverfahren für Hochleistungs-IGBTs mit einer digitalen Treibereinheit”, Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2011
H. Kuhn
- “Digital Adaptive Driving Strategies for High-Voltage IGBTs”, Energy Conversion Congress & Exposition, ECCE 2011, Phoenix, Arizona, USA
L. Dang, H. Kuhn, A. Mertens
