IHD 215/280/680
Datenblatt
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Intelligenter Halbbrücken-Treiber
für IGBTs und Power-MOSFETs
Beschreibung
Die intelligenten Halbbrücken-Treiber
der IHD-Typenreihe sind speziell für
die zuverlässige Ansteuerung und den
sicheren Schutz eines IGBT- oder
Power-MOSFET-Paares entwickelt
worden.
Alle intelligenten Treiber der IHD-
Typenreihe sind zueinander anschluß-
kompatibel und unterscheiden sich nur
in der Treiberleistung.
Zwischen den Steuereingängen der
beiden Kanäle besteht keinerlei
logische Verknüpfung oder
gegenseitige Verriegelung. Die
Ansteuerbausteine sind somit sehr universell und können sowohl für Halb-
brücken-, Asymmetrische Halbbrücken- und Mittelpunkt-Schaltungen als auch
für alle weiteren PWM-Wandler und Resonanz-Topologien verwendet werden.
Besondere Merkmale Anwendungen
✔ Geeignet für IGBT's und Power-MOSFET's ✔ Wechselrichter
✔ Schützt die Leistungstransistoren ✔ Antriebstechnik
✔ Extrem zuverlässig, hohe Lebensdauer ✔ Traktion
✔ Hoher Ansteuerstrom von +/- 1,5A bis +/- 8A ✔ Bahnstromversorgungen
✔ Galvanische Trennung 4000Vac ✔ Umrichter
✔ Zustandsrückmeldung galvanisch getrennt ✔ Energietechnik
✔ Speisungs- und Selbstüberwachung ✔ Getaktete Netzgeräte
✔ Taktfrequenz DC bis MHz ✔ Röntgen- und Lasertechnik
✔ Taktverhältnis: 0...100% ✔ DC/DC-Wandler
✔ Extrem störsicher, garantiert min 50'000V/ms✔ Forschung
✔ Verkürzt die Entwicklungszeit ✔ HF-Generatoren und -
Wandler
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Absolute Grenzdaten
Parameter Testbedingung min max Einheit
Speisespannung Vcc Pin 10 gegen Pin 9 -0,5 16 Vdc
Ausgangs-Spitzenstrom Iout IHD 215xx Pin 25 und 36 -1,5 +1,5 A
IHD 280xx Pin 25 und 36 -8 +8 A
IHD 680xx Pin 25 und 36 -8 +8 A
Prüfspannung (50Hz/1min) INxx gegen SOxx 50 Vac
INxx gegen GND und Vcc 4000 Vac
INxx gegen Leistungsseite 4000 Vac
GND/Vcc gegen Leistungsseite 4000
Vac
Betriebstemperatur IHDxxxAN 0 +70 °C
IHDxxxAI -40 +85 °C
Lagertemperatur alle Typen -45 +90 °C
Anschlußbelegung
Pin Bez. Funktion
1 SO1+ Status Ausgang + (K1)
2 SO1- Status Ausgang - (K1)
3 IN1- Eingang invertierend (K1)
4 IN1+ Eingang nicht invertierend
(K1)
5 frei
6 frei
7 frei
8 frei
9 GND Maße Versorgungsspannung
10 Vcc Positive
Versorgungsspannung
11 frei
12 frei
13 frei
14 frei
15 SO2+ Status Ausgang + (K2)
16 SO2- Status Ausgang - (K2)
17 IN2- Eingang invertierend (K2)
18 IN2+ Eingang nicht invertierend
(K2)
Pin Bez. Funktion
36 G1 Gate-Ansteuerung (K1)
35 COM1 Virtueller Nullpunkt (K1)
34 Cs1 Ext. Stütz-Kondensator (K1)
33 E1 Emitter / Source (K1)
32 REF1 Externe Referenz (K1)
31 Cb1 Beschaltung Blockierzeit (K1)
30 ME1 Messung Kollektor/Drain (K1)
29 frei
28 frei
27 frei
26 frei
25 G2 Gate-Ansteuerung (K2)
24 COM2 Virtueller Nullpunkt (K2)
23 Cs2 Ext. Stütz-Kondensator (K2)
22 E2 Emitter / Source (K2)
21 REF2 Externe Referenz (K2)
20 Cb2 Beschaltung Blockierzeit (K2)
19 ME2 Messung Kollektor/Drain (K2)
Legende:
(K1) = Kanal 1; (K2) = Kanal 2
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Pins mit der Bezeichnung "frei" sind nicht bestückt
Blockschaltbild
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Mechanische Abmessungen
Aufsicht Layout (Bestückungsseite) Raster 2,54
Lötaugen Ø 1,6
Bohrungen Ø 0,9
Alle Maße in mm
Gehäuse- & Vergussmaterialien
Komponente Material
Gehäusematerial Noryl (PPE mod.), glasfaserverstärkt, flammwidrig
Vergussmasse Polyurethanbasis, temperaturwechselfest
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Allgemeine Kenndaten
Qualität Norm
Herstellung ISO9001 zertifiziert
Zuverlässigkeit Norm typ Einheit
MTBF IHD215/280xx MIL HDBK 217F (siehe 12) > 2’000’000Std
MTBF IHD680xx MIL HDBK 217F (siehe 12) > 1’840’000Std
Umgebungsbedingungen Testbedingung min max Einheit
Betriebstemperatur IHDxxxAN (siehe 13) 0 +70 °C
IHDxxxAI (siehe 13) -40 +85 °C
Lagertemperatur alle Typen -40 +85 °C
Elektrische Kenndaten
Stromversorgung Testbedingung min typ max Einheit
Speisespannung Vcc (siehe 1) Pin 10 gegen Pin 9 12 15 16 Vdc
Stromaufnahme Icc (siehe 2) Leerlauf alle Typen 90 mA
Max. Stromaufnahme Icc IHD215xx (siehe 3) 200 mA
Max. Stromaufnahme Icc IHD280xx (siehe 3) 200 mA
Max. Stromaufnahme Icc IHD680xx (siehe 3) 500 mA
Wirkungsgrad ηinterner DC/DC-Wandler 75 %
Einschaltschwelle Vth alle Typen 10 Vdc
Hysterese Ein-/Aus (siehe 4) alle Typen 0,6 Vdc
Eingänge INx+ zu INx- Testbedingung min typ max Einheit
Eingangsspannung Vin (siehe 5) alle Typen 14 15 16
Vdc
Stromaufnahme Iin (siehe 6) alle Typen 180 mA(peak)
Eingangskapazität Cin alle Typen 470 pF
Koppelkapazität Cio alle Typen 10 pF
Anstiegszeit tr(in) (siehe 7) alle Typen 0 50 ns
Fallzeit tf(in) (siehe 7) alle Typen 0 50 ns
Messung Schutzfunktion Testbedingung min typ max Einheit
Eingänge ME1 und ME2 gegen E1 bzw E2 -0,5 Vcc Vdc
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Elektrische Kenndaten (Fortsetzung)
Zeitverhalten Testbedingung min typ max Einheit
Laufzeit Eingang-Ausgang Einschalten tpd(on) 60 ns
Ausschalten tpd(off) 60 ns
Laufzeit Status-Rückmeldung auf Fehler (siehe 16) 20 ms
Ausgänge G1 und G2 Testbedingung min typ max Einheit
Ausgangsstrom Iout (siehe 8) IHD 215xx -1,5 +1,5 Adc
IHD 280xx -8 +8 Adc
IHD 680xx -8 +8 Adc
Ausgänge SO1/SO2 (siehe 14) alle Typen 1 mA
Totale Wandlerleistung IHD 215xx 2 W
IHD 280xx 2 W
IHD 680xx 6 W
Anstiegszeit tr(out) (siehe 9) alle Typen 15 30 ns
Fallzeit tf(out) (siehe 9) alle Typen 15 30 ns
Galvanische Trennung Testbedingung min typ max Einheit
Betriebsspannung (siehe 10) dauernd 600 1000 Vdc
Prüfspannung (50Hz/1min) (siehe 17) 4000 Vaceff
Teilentladungs-Aussetzspannung IEC270 (siehe 15) 1100
Veff
max. ∆V/∆t bei ∆V = 1000V alle Typen (siehe 11) 50 100 kV/µs
Alle Daten, wenn nichts anderes angegeben, bei +25°C und Vcc = 15V.
Fußnoten zu Kenndaten
1) Bei einer Speisespannung von größer als 16V können die Leerlaufspannungen auf den
beiden Ausgangsseiten des DC/DC-Wandlers größer als 18V werden, was zur Zerstörung der
ausgangsseitigen Treiber- und Schutzschaltungen führen kann.
2) Nur Eigenverbrauch der Treiber, statisch.
3) Ein Ueberschreiten der Stromaufnahme deutet auf eine Ueberlastung des DC/DC-Wandlers
hin. Es ist der nächstgrößere Typ vorzusehen.
4) Die Aussch altschw elle liegt um den Betrag der Hysterese tiefer als die Ei nsch altsch welle. Die
Ein- und Ausschalt-Schwellen erlauben einen Betrieb der Treiber bei Betriebsspannungen
von 12V bis 15V und lassen sich nicht verändern.
5) Das Ansteuersignal sollte dieselbe Amplitude aufweisen wie die Stromversorgung des
IHDxxx. Bei Vcc = 15V sollte das Ansteuersignal ebenfalls 15V sein, bei Vcc = 12V genügt eine
Ansteuerung mit 12V. Abweichungen von +/-1V sind zulässig.
6) Scheitelwert während weniger als 100 ns, danach fließt ein Strom vom ca 10 mA, welcher
langsam abklingt.
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7) Wenn die Anstiegs- bzw die Fallzeiten zu groß sind (das heißt eine zu langsame
Ansteuerung), kann eine zuverlässig Uebertragung der Ansteuerinformationen nicht
garantiert werden.
8) Der Gatestrom muß durch einen Gatewiderstand auf seinen Maximalwert begrenzt werden.
9) Bei einer Last von 10 nF in Serie mit 20 Ohm.
10) Maximale dauernd oder repetitiv anliegende Gleichspannung oder Spitzenwert der repetitiv
anliegenden Wechselspannung zwischen den Ein- und Ausgängen sowie zwischen den
Stromversorgungseingängen und allen übrigen Anschlüssen und zwischen Ausgang 1 und
Ausgang 2. Achtung: Bei dauernd anliegender Gleichspannung von über 600Vdc zwischen
den Signalisationsausgängen und den Ausgängen G1, E1 bzw G2, E2 können sich die
Langzeiteigenschaften der für die Zustandsrückmeldung verwendeten Optokoppler unter
Umständen verschlechtern. Es sind aber auch auf höhere Teilentladungsspannungen
gemessene und selektrierte Typen lieferbar (siehe 15).
11) Diese Spezifikation bedeutet, daß die Ansteuerinformation auch bei hoher
Zwischenkreisspannung und schnellsten Schaltvorgängen garantiert störsicher übertragen
wird.
12) Die MTBF (Mittlerer Ausfallabstand) ist berechnet nach MIL HDBK 217F bei einer
Umgebungstemperatur von 40°C, einer typischen Belastung und wenn der Treiber einem
Luftstrom ausgesetzt ist. Weitere Informationen zur Zuverlässigkeit sind von CONCEPT auf
Anfrage erhältlich.
13) Die anwendungsspezifische Eigenerwärmung der Treiber - speziell bei hoher Belastung - ist
zu berücksichtigen.
14) Die Ausgänge SO1/SO 2 sind für einen Betriebsstrom von 1mA ausgelegt. Bei 1mA u nd 40°C
Umgebungstemperatur wird eine Lebensdauer der verwendeten Optokoppler von 50 Jahren
vorhergesagt.
15) Die Teilentladung wird bei den Standardtypen nicht gemessen. Für Netzanwendungen
besteht eine ausreichende Sicherheitsmarge zwischen der Betriebsspannung von
typischerweise <600Vdc und der Teilenladungsaussetzspannung von typ. ca 1500Vpeak. Für
Anwendungen höchster Anforderung und höheren Betriebsspannungen (zB
Bahnanwendungen) können geprüfte und selektierte Typen mit garantierter
Teilentladungsfestigkeit geliefert werden.
16) Im Fehlerfalle schaltet der Treiber den Leistungshalbleiter nahezu verzögerungsfrei aus. Die
Rückmeldung durchläuft einen Optokoppler, welcher eine Durchlaufverzögerungszeit von
etwa 20ms hat; der Leistungstransistor ist also beim Eintreffen der Störungsmeldung auf der
Steuerseite bereits seit etwa 20ms im ausgeschalteten Zustand.
17) Die Prüfspannung von 4000Vac(eff)/50Hz darf nur ein einziges Mal während 1 Minute
angelegt werden. Es ist zu beachten, dass sich bei dieser (eigentlich veralteten) Testmethode
eine (geringe) Vorschädigung der Isolationsschichten infolge Teilentladung einstellt;
weshalb dieser Test bei CONCEPT nicht als Serientest durchgeführt wird. Bei wiederholten
Isolationstests (zB Baugruppentest, Gerätetest, Systemtest) sind die nachfolgenden
Prüfungen mit einer tieferen Prüfspannung durchzuführen: Jede weitere Prüfung mit um
jeweils 500V verkleinerter Prüfspannung. Anstelle solcher Prüfmethoden eignet sich die
modernere, wenn auch aufwendigere Teilentladungsmessung besser, da hier praktisch keine
Vorschädigung auftritt.
Funktions-Beschreibung
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Uebersicht
Die intelligenten Halbbrücken-Treiber
der IHD-Serie sind universelle
Ansteuermodule für Power-
MOSFET's und IGBT's im
Schaltbetrieb.
Alle IHD-Typen sind zueinander
anschlußkompatibel und
unterscheiden sich nur in der
Treiberleistung (maximaler
Gatestrom und Leistung des DC/DC-
Wandlers).
Die IHD-Typen mit den höheren
Ausgangsleistungen eignen sich
hervorragend für große Module oder
eine Anzahl parallelgeschalteter
Transistoren sowie für Hochfrequenz-
Anwendungen.
Die intelligenten Halbbrücken-Treiber
der IHD-Serie stellen eine
Komplettlösung für sämtliche
Ansteuer- und Schutzprobleme im
Zusammenhang mit Power-MOSFET-
und IGBT-Leistungsstufen dar. Es
werden praktisch keine weiteren
Komponenten in der Steuerschaltung
und im Leistungsteil benötigt.
Sicherer Betrieb
Die Gateansteuerung mit positiver
und negativer Steuerspannung (je
nach ge-wählter
Versorgungsspannung zwischen +/-
12V bis +/-15V) erlaubt den sicheren
Betrieb von beliebig großen IGBT-
Modulen eines jeden Herstellers.
Dank der großen Störsicherheit,
welche durch die negative
Gatespannung erreicht wird, lassen
sich eine Anzahl von Power-MOS-
FET- oder IGBT-Modulen
parallelschalten, ohne daß parasitäre
Schaltvorgänge oder Oszillationen zu
befürchten sind.
Die Bausteine der IHD-Typenreihe
beinhalten für jeden der beiden
Kanäle je einmal die galvanische
Trennung zwischen Steuer- und
Leistungsseite, einen Ueberstrom-
und Kurzschlußschutz für die Lei-
stungstransistoren, eine
Speisungsüberwachung,
Zustandsrückmeldung sowie eine
galvanisch getrennte Versorgung der
Ansteuerelektronik durch einen
integrierten DC/DC-Wandler.
Die beiden Ansteuerkanäle arbeiten
unabhängig voneinander, es besteht
keinerlei gegenseitige logische
Verknüpfung oder Verriegelung.
Echte galvanische Trennung
Die auf einem transformatorischen
Prinzip realisierte galvanische
Trennung von bis zu 1000V
Betriebsspannung (entsprechend
4000V Prüfspannung) zwischen
Steuer- und Leistungsteil sowie die
extrem hohe Störsicherheit von
mindestens 50'000V pro
Mikrosekunde prädestinieren die
Ansteuermodule der IHD-Serie für
Anwendungen, bei welchen große
Potentialunterschiede und große
Potentialsprünge zwischen
Leistungsteil und Steuerelektronik
auftreten.
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Anwendungs-Vorteile
Die außerordentlich kurzen
Durchlaufzeiten der Treiber der IHD-
Serie ermöglichen den Einsatz in
hochfrequent getakteten
Stromversorgungen, HF-Umformern
und in Resonanzwandlern. Durch die
äußerst kurzen Durchlaufzeiten wird
ein problemloser Betrieb in
Brückenschaltungen gewährleistet;
Offsetprobleme werden durch die
hervorragenden Eigenschaften dieser
Ansteuermodule vermieden.
Durch den Einsatz von
Treibermodulen der IHD-Serie lassen
sich innert kürzester Frist zuverlässig
Leistungsstufen mit Power-
MOSFET's oder IGBT's realisieren.
Kurzschluß- und Ueber-
stromschutz
Eine der grundlegenden Funktionen
der intelligenten Halbbrücken-Treiber
der IHD-Serie ist der sichere Schutz
der gesteuerten
Leistungstransistoren gegen Ueber-
strom und Kurzschluß. Die
Strommeßung basiert auf der
Erfassung der Drain-Source- bzw.
Kollektor-Emitter-Spannung am
eingeschalteten Transistor. Nach
Ueberschreiten einer durch den
Anwender festgelegten Schwelle
wird der Leistungstransistor aus-
geschaltet und bleibt für eine
definierte Minimalzeit in diesem
Zustand blocki ert. Nach Abl a uf dieser
Zeit wird der Transistor synchron mit
der nächsten Einschaltflanke des
Ansteuersignals wieder
eingeschaltet.
Mit diesem Schutzkonzept lassen
sich IGBT-Halbbrücken und -Drei-
phasen-Module sinnvoll und zuver-
lässig schützen.
Layout der Anschlüße
Die Anschlußbeine (Pins) der
Ansteuermodule der IHD-Serie sind
so angeordnet, daß das Layout sehr
einfach gehalten werden kann und
der logische Signalfluß
(Eingangssignal ⇒
Ansteuerschaltung ⇒
Leistungstransistoren) eingehalten
wird. Zwischen Ansteuersignal und
Leistungspotential wird ein Abstand
von 45mm eingehalten!
Hinweis zur Pinbeschreibung
Da die Treiber der IHD-Serie zwei
Kanäle aufweisen, sind alle
Anschlüße mit Aus- nahme der
Spannungsversorgung doppelt
vorhanden. In der Beschreibung
werden die Pin-Nummern und
Bezeichnungen für den Kanal 1
angegeben. Diejenigen für den
Kanal 2 stehen jeweils in einer
geschweiften Klammer {}.
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Für den zweiten Kanal gilt dann das
Gleiche wie für den explizit
beschriebenen ersten Kanal.
Pin 3 und 4 {Pin 17 und 18}
Eingänge IN1+ und IN1- {IN2+
und IN2-}
An die Differenzeingänge IN1+ und
IN1- werden die Ansteuersignale
angelegt. Der Eingang IN1- wird
normalerweise mit der Maße der
Steuerelektronik verbunden. Eine
positive Flanke am Eingang IN1+
bewirkt das Einschalten des
entsprechenden Leistungstransis tors,
eine negative Flanke schaltet den
Transistor wieder aus (Abb. 1). Muß
das Ansteuersignal invertiert werden,
wird Eingang IN1+ an die
Elektronikmaße und das Steuersignal
an den Eingang IN1- gelegt (Abb. 2).
Die galvanische Trennung der
Steuersignale ist bei den Treibern der
IHD-Serie mit Impulstransformatoren
realisiert. Beim Ansteuersignal ist
darauf zu achten, daß die
Steuerelektronik die vom IHD
benötigten Spannungen und
Umladeströme liefern kann und daß
die Flankensteilheit den Daten-
blattspezifikationen entspricht.
Außerdem sollte der Eingangstreiber
"Latch-Up"-fest sein, da über die
Koppelkapazität des internen
Uebertragers Rückwirkungen von
den Schaltvorgängen auf die
Eingangstreiber auftreten. Ein be-
währter Eingangstreiber für beide
Kanäle stellt der MC33151 von
Motorola dar.
Die Ansteuermodule der IHD-Reihe
sollten möglichst nahe an den
jeweiligen Leistungstransistoren
plaziert werden. Die Leitungen von
der Steuerelektronik zu den
Eingängen IN1+ und IN1- dürfen etwa
25cm lang sein. Die Leitungen IN1+
und IN1- müssen parallel und gut
gekoppelt werden (parallele
Leiterbahnen oder verdrillte Lei-
tungen).
Die Minusleitungen müssen in jedem
Fall für beide Kanäle separat zum
Eingangstreiber zurückgeführt
werden, damit ein zuverlässiger
Betrieb gewährleistet werden kann
(siehe Abb. 3).
Während bei sehr langen Pulsen die
sichere Uebertragung kein Problem
darstellt, sollte der ganze Aufbau
hinsichtlich sehr kurzer
Abb. 1 Ansteuerung nicht invertieren
d
Abb. 2 Ansteuerung invertierend
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Ansteuerimpulse überprüft werden:
Viele Pegelwandler und die meisten
Treiber-ICs neigen dazu, bei sehr
kurzen Impulsen (kleiner 100ns) zwar
eine saubere Einschaltflanke zu
generieren, die kurz darauf folgende
Ausschaltflanke kann aber verzerrt
oder verlangsamt sein. In einem
solchen Fall ist es möglich, dass ein
Treiber bei einem Kurzimpuls zwar
einschaltet, aber aufgrund der
„unsauberen“ Ausschaltflanke nicht
wieder ausschaltet. Der dem IHD
vorgeschaltete Eingangstreiber ist so
zu optimieren, dass die
Ausschaltflanke in jedem Fall -
insbesondere auch bei Kurzimpulsen
- ebenso schnell und sauber ist wie
die Einschaltflanke. Bei (digitalen)
Systemen, bei welchen
systembedingt keine kürzeren
Ansteuerimpulse als etwa 200ns
auftreten können, muss dieser
Betriebsfall nicht speziell überprüft
werden.
Pin 1 und 2 {Pin 15 und 16}
Ausgänge SO1+ und SO1-
{SO2+ und SO2-}
Die Ausgänge SO1+
und SO1- dienen der
Statusrückmeldung. Es handelt sich
dabei um Kollektor (SO1+) und
Emitter (SO1-) eines
Optokopplertransistors. Der
durchgeschaltete Zustand dieses
Transistors entspricht einer "alles in
Ordnung"-Meldung. Bei zu tiefer
Spannungsversorgung oder
aktivierter Schutzfunktion öffnet der
Transistor (siehe Abb. 4). Die Aus-
gänge sind für einen Betriebsstrom
von 1mA vorgesehen. Trotz galvani-
scher Trennung gegenüber allen
anderen Anschluß-Pin's dürfen diese
Ausgänge ausschließlich auf dem
Potential der Steuerseite (+/-50V
Differenz zum Ansteuersignal) ver-
wendet werden, da nur ein minimaler
Abstand zu den Anschlüssen der Ein-
gänge IN1+ und IN1- besteht.
Durch die kapazitive Kopplung
zwischen Sender und
Empfänger im
Optokoppler können
bei hohen
Pegelsprüngen der
Leistungstransistoren
an den Ausgängen
SO1/SO2 unter
Umständen kurze
„Spikes“ auftreten.
Deshalb wird empfoh-
len, den Status-Aus-
gängen ein RC-Glied
Abb. 3 Korrekte Leitungsführung Eingangstreibe
r
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mit einer Zeitkonstante von etwa
5...10 Mikrosekunden nachzuschal-
ten.
Weiterhin wird empfohlen, die
Statusrückmeldungen nicht
hardwaremässig
zusammenzuschalten sondern diese
als Einzelsignale der
Ueberwachungselektronik
zuzuführen. Dies vereinfacht die Dia-
gnose und Störungssuche im
Fehlerfalle ganz entscheidend.
Pin 9 und 10
GND und Vcc
Diese Anschlüße dienen der
Stromversorgung des
Treibermoduls. Die nominale
Speisespannung beträgt 12V bis 15V.
Um ein sicheres Starten des
integrierten DC/DC-Wandlers zu
garantieren, muß in unmittelbarer
Nähe der Anschlüße 9 und 10 ein
schaltfester und niederinduktiver
Elko plaziert werden. Die Kapazität
dieses Elko's sollte nicht kleiner sein
als die Summe der an den
Anschlüssen Cs1 (Pin 34) und Cs2
(Pin 23) angeschloßenen Kapazitäten.
Die Stromaufnahme wird durch die
Anzahl der angesteuerten
Transistoren, deren Gatekapazität
und durch die Taktfrequenz
bestimmt.
Aufgrund der hohen Isolation der
Speisungsanschlüße gegenüber
allen anderen Pins können die
Treiber der IHD-Serie von einem
beliebigen Potential her versorgt
werden, welches nicht zwangsläufig
mit den Eingangspotential identisch
sein muß.
Die internen Einschaltschwellen
wurden so ausgelegt, daß ein Betrieb
auch mit 12V erfolgen kann. Dies ist
vor allem beim Betrieb mit
Transistoren sinnvoll, welche bei
höheren Gatespannungen sehr große
Kurzschlußströme aufweisen (Low-
Saturation Typen).
Es ist zu beachten, dass die Treiber
selbst nicht gegen eigene
Ueberlastung geschützt sind. Ein
Kurzschluss zwischen den Gate- und
Emitteranschlüssen - beispielsweise
durch einen defekten Leistungshalb-
leiter - kann zu einer thermischen
Zerstörung des Treibers führen.
Pin 36 {Pin 25}
Ausgang G1 {G2}
Der Ausgang G1 {G2} ist der Treiber-
ausgang für die Gate-Ansteuerung.
Diese erfolgt je nach
Speisespannung mit +/-12V bis
+/-15V, beziehungsweise je nach
verwendeten Leistungstransistoren
und Anwendung nur mit positiver
Abb. 4 Ausgänge Status-Rückmeldung
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Gatespannung (siehe Beschreibung
Pin 35, COM1).
Die Ausgangsstufen der Treiber der
IHD-Reihe sind sehr kräftig
dimensioniert. Der maximal zulässige
Gate-Umladestrom beträgt beim
IHD215 1,5A, beim IHD280 und
IHD680 jeweils 8A; dies erlaubt die
Ansteuerung der größten IGBT- und
Power-MOSFET-Module. Es besteht
auch die Möglichkeit, eine Anzahl
parallelgeschalteter Leistungsmodule
direkt anzusteuern. Der Umla destrom
muß durch einen externen
Gatewiderstand begrenzt werden. Es
ist zu beachten, daß bei +/-
Ansteuerung des Gates der gesamte
Spannungshub (zweimal 12 bis 15V)
zu berücksichtigen ist.
Das Gate des Leistungstransistors ist
mittels einer möglichst kurzen
Leitung mit dem Anschluß G1 {G2} zu
verbinden. Um die
Schaltgeschwindigkeit sowohl beim
Ein- wie auch beim Ausschalten
unabhängig voneinander einstellen
zu können, kann eine Gate-
Beschaltung mit zwei Gate-
Widerständen und einer Diode ver-
wendet werden (siehe Abb. 5).
Unmittelbar zwischen Gate und
Emitter sollten bei IGBT's unbedingt
(anti-seriegeschaltete) Z-Dioden
geschaltet werden, deren
Zenerspannung genau der gewähl-
ten Gatespannung (12V bis 15V) ent-
spricht (siehe Abb. 10). Diese
verhindern, daß sich die
Gatespannung infolge von
parasitären Einflüssen (zB Miller-
Effekt) auf einen Wert erhöhen kann,
welcher höher ist als die nominale
Gatespannung. Eine zu hohe
Gatespannung erhöht den
Kurzschlußstrom überproportional
und kann zur Zerstörung der
Leistungshalbleiter führen.
Ein ausreichend niederohmiger
Abschluß des Gate ist vom
Treibermodul auch dann
gewährleistet, wenn dieses nicht mit
der Betriebsspannung versorgt wird.
Pin 33 {Pin 22}
Anschluß E1 {E2}
Dieser Anschluß ist mit dem Emitter-
bzw Source-Anschluß des
Leistungstransistors zu verbinden.
Die Verbindung muß möglichst kurz
und direkt zum Emitter- bzw. Source-
Anschluß des Leistungselements
geführt sein. Bei Modulen mit Hilfs-
Emitter oder Hilfs-Source ist dieser
Anschluß zu verwenden. Der
Anschluß dient auch a ls Fußpunkt für
die Referenz, wobei die Referenz
möglichst direkt am Anschluß E1 des
Treibermoduls angeschossenen
werden muß.
Abb. 5 Asymmetrische Gate-Widerstände
IHD 215/280/680
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Werden die Verbindungen zwischen
einem Treiber der IHD-Reihe und
einem Leistungstransistor mittels
Verbindungsleitungen ausgeführt, so
ist eine Länge von maximal 10 cm
nicht zu überschreiten und die
Leitungen G1, E1 und der Meß-
anschluß (Kollektor- bzw Drain-
Anschluß) sind pro Transistor
verdrillt zu führen (siehe Abb 9).
Pin 30 {Pin 19}
Anschluß ME1 {ME2}
Dieser Anschluß dient der Messung
des Spannungsabfalls am
eingeschalteten Leistungstransistor,
um den Schutz gegen Kurzschluß
und Ueberlastung zu gewährleisten.
Es ist zu beachten, daß dieser
Anschluß keinesfalls direkt mit dem
Drain bzw. Kollektor des
Leistungstransistors verbunden
werden darf. Um den Meßanschluß
vor der hohen Drain- bzw Kollek-
torspannung des ausgeschalteten
Leistungselements zu schützen, ist
eine Beschaltung mit einer
hochsperrenden Diode (Dme) oder
zwei seriegeschalteten Dioden vom
Typ 1N4007 vorzusehen (siehe
Abbildungen 6 und 10). Es wird
unbedingt empfohlen, diese Dioden
spannungsmäßig überzudi-
mensionieren.
Ein im Modul integrierter Pull-Up
Widerstand sorgt bei
eingeschaltetem Leistungstransistor
dafür, daß ein Strom durch die
Meßdiode (Dme), den
Dämpfungswiderstand (Rme) und
den Transistor fließt. Somit steht am
Meßeingang ME1 ein Potential an,
welches der Durchlaßspannung des
eingeschalteten Transistors zuzüglich
der Dioden-Durchlaßspannung und
dem Spannungsabfall an Rme ent-
spricht. Rme dämpft die
Reversestromspitzen der Meßdiode
Dme und ist mit 68 Ohm einzusetzen.
Es ist zu beachten, daß die
Leistungstransistoren nicht unend-
lich schnell einschalten, insbe-
sondere bei IGBT's kann es einige
Mikrosekunden dauern, bis diese voll
durchgeschaltet haben. Zusammen
mit dem integrierten Pull-Up Wider-
stand und dem externen Kon-
densator (Cme) ergibt sich eine
Verzögerung der Messung nach dem
Einschalten des Leistungstransistors.
Diese Verzögerung wird im fol-
genden Ansprechzeit genannt. Die
Ansprechzeit (und somit Cme) muß
umso größer gewählt werden, je
langsamer die Leistungstransistoren
einschalten. Die Formel für die
Dimensionierung von Cme ist auf
Seite 16 zu finden.
Abb. 6 Prinzip der Stromüberwachung
IHD 215/280/680
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Seite 15
Es ist weiterhin darauf zu achten, daß
negative Spannungen am
Meßeingang nicht zulässig sind.
Pin 31 {Pin 20}
Anschluß Cb1 {Cb2}
Nach Ansprechen der
Stromüberwachung wird der
Leistungstransistor durch die
Schutzfunktion des intelligenten
Treibers abgeschaltet und für eine
definierte Minimalzeit in diesem
Zustand blockiert. Diese Funktion
dient zum Schutz vor thermischer
Ueberlastung bei dauerndem oder
wiederkehrendem Kurzschluß. Diese
Blockierzeit kann durch Beschalten
von Pin 31 (Cb1) mit einem
Kondensator gegen Pin 35 (COM1)
{beziehungsweise Pin 20 (Cb2) gegen
Pin 24 (COM2)} bestimmt werden
(Formel siehe Seite 16). Der Blockier-
kondensator sollte einen Kapazitäts-
wert von 470nF nicht überschreiten.
Das Ansprechen der Schutzfunktion
auf Ueberstrom wird während der
Dauer der Blockierzeit an den
Ausgängen SO1+ und SO1- {SO2+
und SO2-} signalisiert.
Nach Ablauf der Blockierzeit wird der
Leistungstransistor erst wieder mit
der nächstfolgenden Einschaltflanke
eingeschaltet (siehe Abb. 7).
Pin 32 {Pin 21}
Anschluß REF1 {REF2}
An diesem Pin wird eine externe
Zenerdiode als Referenz
angeschlossen. Damit wird
festgelegt, bei welchem maximalen
Spannungsabfall am eingeschalteten
Leistungstransistor die
Schutzfunktion der
Ansteuerschaltung aktiviert und
somit der Leistungstransistor
abgeschaltet wird.
Die Schutzfunktionen der
intelligenten Halbbrücken-Treiber der
IHD-Serie werden immer dann aktiv,
wenn die Spannung an ME1 {ME2}
(Messung Drain/Kollektor) höher ist
als die Spannung an REF1 {REF2}
(siehe Abb. 6 & 7).
IHD 215/280/680
Datenblatt
Seite 16
Bezugspotential ist Pin 33 (E1). Die
Referenz darf unter gar keinen
Umständen kapazitiv abgeblockt
werden.
Die Referenz-Diode muß möglichst
nahe am Treibermodul angeordnet
werden.
Pin 34 {Pin 23}
Anschluß Cs1 {Cs2}
An diesen Ausgängen werden
schaltfeste und niederinduktive
Abblockkondensatoren (meist
werden Elko’s verwendet)
angeordnet, welche sekundärseitig
den DC/DC-Wandler entkoppeln. Sie
müssen die Pulsströme (bis 8A) für
die Umladung der Gatekapazitäten
liefern können. Die Elko's werden
zwischen Cs1 {Cs2} und COM1
{COM2} angeschlossenen. Da die
Umladeströme für die Gatekapazität
hauptsächlich aus diesen Elko's
bezogen werden, müssen sich diese
in unmittelbarer Nähe des Treiber-
Moduls befinden. Die
Anschlußbelegung eignet sich dazu
optimal. Empfehlenswert sind
Kapazitäten bis 100µF pro Kanal.
Größere Werte sollten jedoch nicht
verwendet werden, damit ein
problemloses Starten des inte-
grierten DC/DC-Wandlers garantiert
werden kann.
Abschaltschwelle
0V
-15V
0A
0V
+15V
+15V
Blockierzeit
tt
1
0
Stauts-Signal
Laststrom
Gatespannung
Eingangsspannung
t = Ausschalten des Transistors (Ueberstromschutz)
t - t = Dauer der Blockierzeit (Ansteuersignale werden ignoriert)
01
0
Abb. 7 Funktion der Blockierzeit
IHD 215/280/680
Datenblatt
Seite 17
Um ein sekundärseitiges
"Hochlaufen" der Betriebsspannung
zu verhindern, muß parallel zu den
Abblockkondensatoren eine 16V-
Zenerdiode oder ein Transienten-
Suppressor verwendet werden. Diese
Dioden werden auf beiden Kanälen
benötigt, auch dann, wenn ein Kanal
nicht verwendet wird. Diese Dioden
sollten für eine Verlustleistung von
1,3W ausgelegt sein.
Pin 35 {Pin 24}
Anschluß COM1 {COM2}
Dies ist der Maßeanschluß des
sekundärseitigen
Abblockkondensators. Er dient
gleichzeitig auch als Bezugspotential
für das Meßfilter und die
Kondensatoren Cb1 {Cb2}.
Anstelle von E1 {E2} kann auch der
Anschluß COM1 {COM2} mit der
Source eines Power-MOSFET's
verbunden werden. In diesem Fall
muß dann die Referenz ebenfalls auf
diesen Anschluß gelegt werden.
Diese Schaltung ermöglicht die
Ansteuerung von Power-MOSFET's
ohne negative Gate-Spannung. Dies
bedeutet, daß der Transistor im
ausgeschalteten Zustand mit 0V
angesteuert wird (Unipolare Gate-
Ansteuerung, siehe Abb. 8).
Der Anschluß E1 {E2} bleibt bei
dieser Schaltung unbenützt und darf
unter keinen Umständen mit COM1
{COM2} zusammengeschaltet
werden.
Für IGBT's ist diese Methode der
Gate-Ansteuerung in der Regel nicht
sinnvoll, da insbesondere bei
japanischen Chips und bei größeren
Modulen mit negativer Gate-
spannung gearbeitet werden sollte.
Anordnung auf dem
Leistungsteil
Die Treiber der IHD-Serie sollten
möglichst nahe an den
Leistungstransistoren angeordnet
werden. Die Verbindungsleitungen zu
den Transistoren sollten möglichst
kurz, das heißt je nach Gatestrom
und Schaltgeschwindigkeit maximal
10cm lang sein. Demgegenüber
dürfen die Eingangsleitungen etwa
25cm lang sein (siehe Abb. 9).
Allerdings ist dabei, wie weiter vorne
beschrieben, auf eine saubere
Leiterführung zu achten.
Dme
Rme
IHDxxx
Cme
35 COM1
30 ME1
32 REF1
Dref
Rg
36 G1
Pin 33 (E1) bleibt offen
Abb. 8 Unipolare Gate-Ansteuerung
IHD 215/280/680
Datenblatt
Seite 18
Formeln für die Berechnung
der Beschaltung
Ansprechzeit-Kondensator
ta
Cme =———————————
— Vcc
1,5kΩln (—————)
Vcc - Vref
Blockierzeit-Kondensator
bei +/- Gate-Ansteuerung
tb
Cb= —————
71,6kΩ
Cb max = 470nF
bei Unipolarer Gate-Ansteuerung
tb
Cb= ———————————
— 2 · Vcc
100kΩ ln (————)
Vref
Cb max = 470nF
Anwendungsbeispiel:
80kW Umrichter
In Abb. 10 ist eine Phase eines
dreiphasigen Umrichters für eine
Leistung von etwa 80kW dargestellt.
Die nutzbare Ausgangsleistung ist
selbstverständlich abhängig von der
Zwischenkreisspannung und der
Taktfrequenz des Umrichters. Mit
dem IHD680 könnte der Umrichter
grundsätzlich mit Frequenzen bis
weit oberhalb von 20kHz betrieben
werden, allerdings entstehen bei
diesen Frequenzen in den IGBT’s
erhebliche Schaltverluste und die
Ausgangsleistung muß entsprechend
heruntergesetzt werden. Die
Treiberleistung des IHD680 ist auch
ausreichend für eine
Parallelschaltung mehrerer solcher
Module. Für Taktfrequenzen unter
10kHz ist ein IHD280 für dieses IGBT-
Modul ausreichend.
Der Wechselrichter ist in der
abgebildeten Schaltung (Abb. 10) als
komplett zusammengebautes und
getestetes Evaluation-Board von
Leistungs-GN
G1
E1
E2
G2
IN1-
IN1+
IN2+
IN2-
ME1
ME2
+15V
Elektronik-GND
Leitungen verdrillen
Leitungen verdrillen
max. 25cm
max. 10cm
IHDxxx
Abb. 9 Korrekte Leiterführung
IHD 215/280/680
Datenblatt
Seite 19
CONCEPT erhältlich (siehe auch
Abschnitt „Evaluation-Boards“). Das
Evaluationsboard enthält auch eine
niederinduktiv aufgebaute Elkobatte-
rie.
Wie im Schaltplan angedeutet, sollen
die Ansteuerleitungen möglichst nah
an die IGBT’s angeschlossen werden.
Für Gate und Emitter sind spezielle
Stecker vorgesehen. Leider hat aber
das Modul keine Kollektor-Sense-
Anschlüsse. Für die Vce-Messung
des „unteren“ IGBT’s bietet sich der
Hilfsemitter-Anschluss des „oberen“
IGBT’s an (siehe auch Abb. 11). Die
Vce-Messung soll keinesfalls an der
Leistungsklemme 1 des Moduls
angschlossen werden, da dieser
Anschluß von der Geometrie her
sehr ungünstig liegt und das di/dt
des Laststroms die Messspannung
verfälscht. Für die Vce-Messung des
„oberen“ IGBT’s gibt es keine andere
Alternative, als die
Leistungsklemme 3 zu verwenden
(siehe auch Abb. 11). Diese li egt aber
von der Geometrie her günstiger als
die Klemme 1 und das Ergebnis ist
akzeptabel . Der durch das di /dt verur-
sachte Spannungsabfall in der
modulinternen Zuleitung von
Klemme 3 zum IGBT-Chip ist auch
der Grund, warum die Referenzdiode
Ref2 einen höheren Wert als Ref1
aufweist, so daß der Ueberstrom-
schutz bei beiden IGBT’s in etwa bei
gleichen Stromwerten aktiv wird.
Leistungs-GND
10 10
Dm21
1N4007
Rm2
68
+15V
GND
220n
+15V
GND
MC33151
+
250uF
E2 22
G2 25
SO1-
2SO1+
1
SO2+
15
SO2-
16
ME2 19
COM2 24
Cs2 23
Ref2 21
Cb2 20
E1 33
G1 36
ME1 30
COM1 35
Cs1 34
Ref1 32
Cb1 31
IN1-
3IN1+
4
IN2+
18
IN2-
17
GND
9VCC
10
IHD680AI/AN
4
6
1
32
7
5
Q1 BSM200GB120
D
+Cs2
120uF Ds2
16V
Cb2
330nF
Cm2
4n7 Ref2
6V2 15V
15V
Dm22
1N4007
SB140
10 10
Dm11
1N4007
Rm1
68
+Cs1
120uF Ds1
16V
Cb1
330nF
Cm1
4n7 Ref1
5V6 15V
15V
Dm12
1N4007
SB140
SIEMENS
+400...800Vdc
+15V
+15V
15k15k
GND GND
Status1
Status2
oben
unten
Abb. 10 Anwendung eines IHD680AI/AN: Phasenzweig eines 80kW-Wechselrichters
Abb. 11 So wird das IGBT-Modul richtig
angeschlossen
IHD 215/280/680
Datenblatt
Seite 20
Evaluation-Boards
Um dem Anwender einen schnellen
Einstieg in die IGBT-Technik und in
das bei den intelligenten
Halbbrücken-Treibern der IHD-Serie
angewandte Schutzkonzept zu
ermöglichen, bietet CONCEPT
diverse Evaluationboards und
Leistungsstufen an. Es werden
komplett aufgebaute und getestete
Halbbrücken-Evaluation-Boards mit
unterschiedlichen IGBT-Typen ange-
boten.
Weiterhin bietet CONCEPT fertig
konstruierte und aufgebaute 3-Pha-
sen-Brücken mit IGBT-Modulen an.
Verlangen Sie dazu weitere
Unterlagen.
Zusammen mit der Dokumentation
lassen sich mit diesen Boards
betriebsbereite Prototyp-Geräte
innert Stunden aufbauen.
Weitere Dienstleistungen
CONCEPT stellt die langjährige
praktische Erfahrung seiner
Entwicklungs- und Appli-
kationsingenieure allen interessierten
Anwendern zur Verfügung. Hierbei
bietet CONCEPT verschiedene
Dienstleistungen an:
Beratung & Schulung
CONCEPT berät und schult Kunden
über die optimale Vorgehensweise,
die ideale Schaltungstopologie und
die Vermeidung möglicher
Schwierigkeiten bei der Lei-
stungselektronik-Entwicklung.
Trouble-Shooting & Support
CONCEPT bietet Entwicklern schnelle
und effektive Hilfe bei Problemen in
Leistungselektronik-Entwicklungen
an.
Applikation
CONCEPT berechnet und
dimensioniert Leistungsteile und
Treiberschaltungen nach
Spezifikation des Kunden und liefert
komplette Schaltpläne, Stücklisten
sowie elektrische und thermische
Kenndaten der Schaltung; der Kunde
realisiert dann Layout und
Konstruktion des Geräts selbst.
Kundenspezifische Geräte
CONCEPT entwickelt und produziert
nach Kundenspezifikation komplette
Geräte und Systeme.
Qualität
Die Verpflichtung zur Qualität ist
einer der zentralen Punkte im Leitbild
der CT-Concept Technologie AG. Das
Total Quality Management (TQM)
umfaßt alle Stufen von
Produktentwicklung und der
Fabrikation bis zur Auslieferung. Die
Treiber der IHD-Serie werden nach
der Qualitätsnorm ISO9001
hergestellt.
IHD 215/280/680
Datenblatt
Seite 21
Ausschlußklausel
CONCEPT behält sich das Recht vor,
jederzeit ohne vorherige
Ankündigung Aenderungen der
technischen Daten und der
Produktspezifikationen vorzunehmen.
Es gelten die Allgemeinen
Lieferbedingungen der CT-Concept
Technologie AG.
IHD 215/280/680
Datenblatt
Seite 22
Informations-Gutschein
Bitte mit einem Fotokopierer auf DIN-A4 vergrößern, zutreffendes bitte ankreuzen ✘,
Absender ausfüllen und an CONCEPT oder Ihren CONCEPT-Vertriebspartner faxen!
Bitte senden Sie uns weitere Informationen:
❏ Uebersicht über alle Ansteuerschaltungen von CONCEPT
❏ Uebersicht über DC/DC-Wandler mit hoher Isolationsspannung von CONCEPT
Bitte senden Sie uns:
❏ Uebersicht über die Evaluation-Boards
Wir möchten ein Angebot über:
❏ _________ Stk intelligente Treiber Typ IHD_________, Termin:
____________________
❏ _________ Stk intelligente Treiber Typ IHD_________, Termin:
____________________
❏ _________ Stk intelligente Treiber Typ IHD_________, Termin:
____________________
Wir interessieren uns für folgende Dienstleistungen:
(siehe Beschreibung im Datenblatt)
❏ Beratung und Schulung
❏ Trouble-Shooting & Support (Unterstützung bei technischen Problemen)
❏ Applikation (Dimensionierung von Leistungsstufen)
❏ Kundenspezifische Geräte
Unsere Anschrift:
Vorname, Name
Abteilung/Funktion
Firma
Telefon Fax
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E-Mail
Wir sind tätig im Bereich:
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Bestellinformationen
Treiber für kleinere Leistungen (2W-Wandler, +/-1,5A Gatestrom)
Standardversion (0...70°C) IHD 215 AN
Industrieversion (-40...+85°C) IHD 215 AI
Treiber für größere Leistungen (2W-Wandler, +/-8A Gatestrom)
Standardversion (0...70°C) IHD 280 AN
Industrieversion (-40...+85°C) IHD 280 AI
Treiber für große Leistungen (6W-Wandler, +/-8A Gatestrom)
Standardversion (0...70°C) IHD 680 AN
Industrieversion (-40...+85°C) IHD 680 AI
Treiber für größere Isolationsspannungen
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Hersteller Ihr Vertriebspartner
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intelligente Leistungselektronik
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CH-2533 Leubringen / Evilard
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Tel ++41 (0)32 / 22 42 36
Fax ++41 (0)32 / 22 22 51
Tel ab 9.11.96: ++41 (0)32 / 322 42 36
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