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Hallo zusammen,

ich habe zwei Boards mit jeweils einem 3-Phasen-Inverter aufgebaut. Auf einem Board sind IGBTs als Leistungsschalter eingesetzt, auf dem 2. Board befinden sich GaN-FETs im Einsatz. Die 3-Phasen-Inverter werden jeweils zur Ansteuerung eines 3-Phasen-Motors (AC Motor) verwendet.

Um die Unterschiede zwischen den beiden Invertern zu analysieren, betrachte ich die Totzeitverzerrungen bzw. die Linearität zwischen Motor-Phasen-Spannung und Motor-Phasen-Strom. Die Totzeit für die IGBTs beträgt 1.5us, wohingegen bei den GaN-FETs im PWM-Signal zwischen HS-Transistor und LS-Transistor eine Totzeit von 40ns verwendet wird.

Durchgeführt wird der Test DC, d.h. statt einem sinusförmigen Phasen-Strom gibt der Inverter einen nahezu Konstantstrom aus. Dafür setze ich den Vektor meiner Motor-Phase-U auf sin(90°) = 1. Daraus liegt in Phase U der maximale positive Strom vor. Die Stromrichtung ist positiv, d.h. der Phasenstrom fließt in den Motor hinein. In den Phasen V und W liegt jeweils ein negativer Strom vor ( der Strom fließt aus dem Motor heraus) mit einem Wert von (- i_phase_U/2). Das Ergebnis dieser Messung wird im angehängten Diagramm dargestellt (Kurve: grau, IGBT, 1.5us deadtime). Auf der y-Achse wird der Phasenstrom U dargestellt, auf der x-Achse die Motor-Phasenspannung-U.

Im 2. Testdurchlauf wird der Vektor der Phase U auf sin(270°) = -1 gesetzt. Nun liegt in Phase U der maximale negative Strom vor und in den Phasen V & W ein positiver Strom von jeweils i_phase_U/2. Das Ergebnis der Messung wird im Diagramm in blau dargestellt (Kurve: IGBT negative current, 1.5us deadtime).

Meiner Überlegung nach sind die unterschiedlichen Kurvenverläufe auf die Wirkung der Totzeitverzerrung zurückzuführen. Mir ist jedoch unklar, wie im 1. Testdurchlauf mit einer kleineren Phasenspannung viel größere Phasen-Ströme erreicht werden. Im 2. Testdurchlauf wird bei gleicher Spannung ein viel kleinerer Phasenstrom erreicht, der Faktor ist hier nahe zu 1/10.

Um diesen Zusammenhang zu verstehen habe ich betrachtet, wie sich die Totzeit bei positiver und negativer Stromrichtung auf die Phasenspannung (Lastspannung) auswirkt.
Diese Überlegungen sind im nächsten Beitrag beigefügt.

-> bei positiver Stromrichtung leitet in meiner IGBT-Halbbrücke beim high-side Transistor der IGBT-Kanal, während beim LS-Transistor nur die antiparallele Diode leitfähig ist. Dadurch verkleinert die Totzeit das Spannungssignal/PWM-Signal an der Last (Motor). Der Duty Cycle wird verkleinert, gegenüber zum idealen Fall ohne Totzeit.

-> Dahingegen bei negativer Stromrichtung leitet beim high-side Transistor nur die Diode und beim LS-Transistor der IGBT-Kanal. Die Totzeit führt hier ebenfalls zur Verzerrung des Spannungssignals an die Last. In diesem Fall wird der Duty Cycle vergrößert, gegenüber zum idealen Fall ohne Totzeit.

Wie kann nun die Abhängigkeit zwischen dem verzerrten Spannungssignal und den Messergebnissen beschrieben werden? Genauer, worin liegt die Ursache, dass bei positiver Stromrichtung mit einer kleineren Phasenspannung höhere Phasenströme erzielt werden, im Vergleich zu negativer Stromrichtung?

Beim GaN-FET wirkt sich die Totzeit von 40ns kaum aus, sodass bei gleicher Phasenspannung der gleiche Phasenstrom erreicht wird, sowohl in positiver als auch negativer Stromrichtung.

Vielen Dank im Voraus!

» Um diesen Zusammenhang zu verstehen habe ich betrachtet, wie sich die
» Totzeit bei positiver und negativer Stromrichtung auf die Phasenspannung
» (Lastspannung) auswirkt.
» Diese Überlegungen sind im nächsten Beitrag beigefügt.

Leider kann ich die Überlegungen nicht als 2. Datei anhängen, hat jemand eine Idee?

Vielen Dank!

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» » Totzeit bei positiver und negativer Stromrichtung auf die Phasenspannung
» » (Lastspannung) auswirkt.
» » Diese Überlegungen sind im nächsten Beitrag beigefügt.
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» Leider kann ich die Überlegungen nicht als 2. Datei anhängen, hat jemand
» eine Idee?

Achte auf die Dateigröße!

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» Phasenspannung
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Vielen Dank!

Du hast berücksichtigt, dass IGBTs deutlich asymmetrisch schalten, und auch deine Gatetreiber sicherlich asymmetrisch treiben?

» Du hast berücksichtigt, dass IGBTs deutlich asymmetrisch schalten, und auch
» deine Gatetreiber sicherlich asymmetrisch treiben?

Ja, für die positive Stromrichtung sind in der Halbbrücke in der HS der IGBT-Kanal leitend und LS nur die Diode, bei negativer Stromrichtung umgekehrt.Dieser Unterschied äußert sich dann widerum im PWM-Signal an der Last, wie im Anhang im vorherigen Beitrag dargestellt.

Jedoch ist mir hier der Zusammenhang zu meinen Messergebnis unklar.

» » Du hast berücksichtigt, dass IGBTs deutlich asymmetrisch schalten, und
» auch
» » deine Gatetreiber sicherlich asymmetrisch treiben?
»
» Ja, für die positive Stromrichtung sind in der Halbbrücke in der HS der
» IGBT-Kanal leitend und LS nur die Diode, bei negativer Stromrichtung
» umgekehrt.Dieser Unterschied äußert sich dann widerum im PWM-Signal an der
» Last, wie im Anhang im vorherigen Beitrag dargestellt.
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» Jedoch ist mir hier der Zusammenhang zu meinen Messergebnis unklar.

Ich hatte das Timing gemeint.