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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik IGBT Ansteuerung mit +3V3


Autor: Mille (Gast)
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Hallo,

ich möchte als Zündtreiber den ISL9V3040 verwenden und ich hätte zur
Ansteuerung ein paar Fragen:

- ich würde gerne eine Ansteuerung direkt vom µC aus machen, also mit 
+3V3. Im Daten blatt sind alle typischen Angaben mit Vge=5V und aus dem 
dazupassenden Diagramm (Figure 14) werd ich auch nicht ganz schlau.

- da der IGBT ja ein Gate hat erfolgt die Ansteuerung fast leistungslos. 
Wie hoch soll der Vorwiderstand zur Strombegrenzung sein bzw. wo im 
Datenblatt finde ich einen typischen Eingangsstrom für das 
Gate/Ansteuerung?

lg mille

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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> da der IGBT ja ein Gate hat erfolgt die Ansteuerung fast leistungslos

Mit Betonung auf FAST.
Je nachdem, wie oft du schalten willst, brauchst du nämlich ordentlich 
Saft, um das Gate richtig anzusteuern, denn ein IGBT-Gate hat bereits 
eine recht grosse Kapazität.
Ich habe zwar dein angehängtes PDF nicht angeschaut; aber ich denke dass 
dein Vorhaben machbar sein sollte. Bedenke aber:

- wenn du grössere Ströme schalten willst, könnte dein IGBT evtl. in 
einen linearen Bereich kommen, und zur Heizung werden, wenn du ihn 
wirklich nur mit 3V3 ansteuerst.
- wenn du grössere Schaltfrequenzen planst, dann wird der IGBT evtl. 
nicht richtig schalten. Dann solltest du mindestens einen Treiber 
vorsehen. Diese laden nämlich mit grossen Strömen (oft im 
Ampere-Bereich!) das Gate schnell um, sodass der IGBT schneller 
schaltet.

Autor: GB (Gast)
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Autor: Mandrake (Gast)
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Die Ansteuerung eines IGBT ist identisch mit der eines MOSFET.
IGBTs und MOSFETs sind spannungsgesteuert während Bipolartransistoren 
stromgesteuert sind.
Wenn du nun deinen IGBT umschaltest fließt also nur solange ein 
(Gatelade)strom bis das Gate ge- oder entladen ist.
Wie hoch der Strom ist hängt davon ab wie schnell du umladen willst.
Um den Strom berechnen zu können wird im Datenblatt die Gateladung (Qg) 
angegeben. Das ist die benötigte Ladung, die in das Gate herein oder 
herausgeflossen sein muss um den IGBT zu schalten.
Strom ist nun bekanntlich Ladung pro Zeit. Damit kannst du nun den 
Gateladestrom ausrechnen.
Beispiel:
Du möchtest deinen IGBT mit Qg=17nC in 100us umschalten.
Ig=Qg/100us = 170uA

Wenn du nun in 1ns umschalten wolltest wären es schon 17A...

Alles klar?

Gruß

Mandrake

Autor: Mille (Gast)
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Also meine Schaltfrequenz ist nicht sonderlich hoch: ~ max. 100Hz
(Zündanlage für Auto; Annahme: max 10.000 U/min).
Laut "Figure 14" habe ich bei Vce=12V und einer Vge=3,3V eine Qon von 
ungefähr 10nC --> P= ~1,5µW (P=Q*U*f). Also leistungsmäßig ist die 
Ansteuerung nahezu verlustlos.

Jetzt weiß ich nur nicht wie ich auf den erforderlichen Strom zu 
Ansteurung des Gates komme?
Der IGBT hat einen seriellen Gate-Widerstand von 70 Ohm, was mir bei 
3,3V eine Strompeak von 47mA verursacht... der µC kann sicher nicht mehr 
als 1mA Ausgangsstrom liefern.
Wenn ich den Vorwiderstand so dimensioniere, dass der Strom auf 1mA 
begrenzt ist, schalte ich dann zu langsam?

lg mille

Autor: Mille (Gast)
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Danke an dich Mandrake, habe dein Posting erst nach meinem gelesen 
(Thread war offen)

--> jetzt ist alles klar!!!!

lg mille

Autor: Mille (Gast)
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Jetzt doch noch ne Frage:

- der µC hat eine Ausgangsspannung von 3,3V um somit ergibt sich eine
Qg=10nC. Was sagt diese "Gate to Emitter Plateau Voltage"-Spannung von 
3V bei einer Vce=12V aus? Bin ich da mit einer Ansteuerungsspannung von 
3,3V schon an der unteren Grenze?

lg mille

Autor: Mandrake (Gast)
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Während dieses Plateaus wird die Millerkapazität des internen MOSFET 
umgeladen. Erst wenn dieses Plateau durchfahren wurde ist richtig 
eingeschaltet. Deine 3,3V sind da schon ein wenig knapp. Wenn man noch 
bedenkt, dass die internen Widerstände deinen Ladevorgang noch 
zusätzlich verlangsamen ist davon auzugehen, dass du dir einiges an 
Schaltverlusten durch das langsame anschalten einhandelst.
Vielleicht hast du noch irgendwo 5V zur Verfügung dann würde ich die zum 
Schalten nehmen. Einfach eine Bipolarstufe mit BC337 dazwischen schalten 
dann ist es sauber.

Gruß

Mandrake

Autor: Mille (Gast)
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Ok danke, das werde ich machen!

Nach deinem Vorschlag und einer nötigen Schaltfrequenz bei meiner 
Anwendung von ca. 100Hz bräuchte ich "nur" einen Strom im µA-Bereich.
Ich möchte aber schnell schalten, aber nur eher selten (max. 100x in der 
Minute --> Zündung).
Wie kann ich ermitteln, wie hoch der Strom sein muss, damit der IGBT 
schnell genug schaltet? Es hilft mir ja nix, wenn die Ladung (~17nC) 
mehrere Millisekunden braucht. Dann habe ich ja eine große 
Verlustleistung an der Kollektor-Emitter-Strecke oder?

lg mille

Autor: Mandrake (Gast)
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Ok. Laut Datenblatt ist die schnellste Umschaltzeit 2.1us die der IGBT 
überhaupt erreichen kann. Es macht also keinen Sinn scheller die Ladung 
ins Gate zu bringen, weil es schneller nicht wird.
Nun ist das Ganze ein Kondensator der geladen wird. Ein Kondensator ist 
nach 5Tau geladen (Exp-Funktion). Tau ist hier die Zeitkonstante. Das 
bedeutet für dich 5Tau=2.1us
Bei Qg=17nC und t=2.1us/5 ergibt sich ein Strom von 40.5mA.
Da dein Aufbau sowieso nicht ideal sein wird, würde ich mal auf 40mA 
abrunden.
Dein Kollektorwiderstand (für die Bipolarinverterstufe) müsste dann bei 
5V Betriebsspannung 5V/40mA - 70 Ohm = 55 Ohm sein.
55 Ohm gibt es so nicht also nimmst du 56 Ohm.
Schauen wir nochmal ob wir damit hinkommen...
56 Ohm + 70 Ohm = 126 Ohm bei 5V ergibt das einen Strom von 39.7mA -> 
passt.
Verlustleistung beim Abschalten Pv = 5V² / 56 Ohm = 446mW -> Passt auch 
bei bedrahtetem Widerstand.
Deine Ansteuerung steuerst du dann mit 1mA an (nochmal ins Datenblatt 
des uC sehen!). Bedeutet du schaltest einen Basisvorwiderstand von 
3.3kOhm zwischen Ausgangspin und Basis des BCxxx.

Gruß

Mandrake

Autor: kurz (Gast)
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10.000 Umdrehungen/min ergibt schon mal grob eine Frequenz von 167 Hz.

Wenn Du annnimmst, daß Du 1/167 sec. Zeit hast zum schalten, so ist das 
nicht richtig. Der Zündimpuls wird in einer kurzen Zeitspanne durch 
Abschalten des Stromes der Zündspule erzeugt. Einfach mal am bestehenden 
Auto messen, wie kurz die Zeit ist.

Autor: Mille (Gast)
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@kurz: Ist ein 4-Takter, also 83Hz.

@Mandrake: Danke für die sehr ausführliche Erklärung und Hilfe, jetzt 
check ich's!!!!

LG Mille

Autor: Mille (Gast)
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Eine Frage noch zum Schutz der IGBT's:

Ich verwende den IGBT als Zündtreiber (induktiv), also sozusagen als 
Low-Side-Switch. Wie schütze ich den IGBT am besten vor falschem 
Anschluss. Am Kollektor ist die Zündspule angeschlossen - theoretisch 
könnte es passieren, dass jemand fälschlicherweise +12V direkt am 
Kollektor anschließt. Wenn der IGBT nun durchschaltet, wird entweder der 
IGBT oder vielleicht sogar vorher die Leiterbahn thermisch zerstört 
werden.

Gibt es irgendwelche Standard-Schutzmaßnahmen für diesen Fall?
Möchte nicht unbedingt einen Shunt-Widerstand zwischen Emitter und Masse 
hängen um den Strom zu messen, da der Strom kurzzeitig Größen über 10A 
annimmt...

lg mille

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