Der SCALE-2 Chipsatz unterstützt Entwickler bei der Optimierung sowohl des Schaltverhaltens, der Zuverlässigkeit und der Skalierbarkeit als auch der Anwendungs-Flexibilität und der Entwicklungszeiten. Der Chipsatz ist insbesondere optimiert auf die Anpassungsfähigkeit an verschiedenste IGBTs und bekannte Anwendungen im Bereich von 150A bis 3600A und 600V bis 6500V, wurde jedoch auch für kundenspezifische Anpassungen vorkonfiguriert.

Mit dem SCALE-2 Chipsatz stellt CONCEPT seine Technologie-Plattform der nächsten Generation für skalierbare IGBT- und Leistungs-MOSFET Gate Treiber vor.  Diese bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich des dynamischen Verhaltens, der Präzision, der Funktionalität, der Flexibilität und der Produkteinführungszeit. Der Chipsatz stellt eine konsequente Weiterentwicklung und Integration der bisherigen CONCEPT SCALE Treibertechnologie dar, die sich in grossen Stückzahlen und verschiedensten Anwendungen bewährt hat. Der SCALE-2 Chipsatz umfasst mehrere Varianten von sekundärseitigen intelligenten Gate Treiber ASICs (Intelligent Gate Driver, IGD) und einen primärseitigen Interface ASIC (Logic-to-Driver Interface, LDI).

Die Kombination höchstentwickelter analoger Leistungsfähigkeit und moderatem Umfang digitaler Strukturen führt zum optimalen Preis/Leistungs-Verhältnis.

Der hochintegrierte SCALE-2 Gate Treiber Chipsatz verfügt über die volle Funktionalität eines 8A / 0.8W Gate Treibers und erlaubt auf einfache Weise eine Skalierung der Gateleistung bis zu 60A / 20W und mehr durch direkte Ansteuerung von externen n-Kanal DMOS. Zur individuellen Einstellung des Ein- und Ausschaltverhaltens können separate Gate-Widerstände genutzt werden.

Intelligenter Gate Treiber (IGD) ASIC

Eine mikroskopische Aufnahme des Gate Treiber ASICs ist in Abb. 1 gezeigt. Bondvarianten steuern die spezifische Funktionalität der verschiedenen Standardprodukte, beispielsweise die Auswahl der optional verfügbaren bidirektionalen Signal-Transformator oder Lichtwellenleiter-Schnittstellen. Ein integriertes vorgefertigtes Feld von Standardzellen (Semi-Custom Array) bietet die Möglichkeit für kundenspezifische Anpassungen oder Nutzung vordefinierter erweiterer Funktionalität. Dies kann preisgünstig durch die Anpassung nur einer einzelnen Maske erreicht werden. Das Semi-Custom Array enthält bereits vorkonfigurierte Zellen wie analoge Komparatoren, kombinatorische und sequenzielle Logik, aber auch Grund-Bauelemente und Anschluss-Pads.

Der IGD ASIC stellt eine geregelte +15V Gate-Emitter Spannung für den Einschaltvorgang des IGBT bereit. Dies erfolgt durch Einstellung des Emitterpotentials am Pin Vee (siehe Abb. 3) mit der Option auf Einstellung kundenspezifischer Werte.

Der IC verfügt über spezielle Schaltungstechnik, die eine Regelung sowohl der Anstiegsgeschwindigkeit [1] als auch des Begrenzungspegels (Active-Clamping) [2] der Kollektor-Emitter-Spannung während der Abschalttransiente erlaubt. Diese beeinflusst in optimaler Weise die Reaktionsgeschwindigkeit des Active-Clamping Prozesses, woduch die Abschaltverluste minimiert werden und die Abschaltfähigkeit im Kurzschlussfall verbessert werden können.

Logic-to-Driver Interface (LDI) ASIC

Eine mikroskopische Aufnahme des Logic-to-Driver Interface ASICs ist in Abb. 2 gezeigt. Der IC implementiert eine zweikanalige bidirektionale Signaltransformator-Schnittstelle, eine skalierbare isolierte Speisung (DC/DC Wandler) mit geeignetem Startverhalten, skalierbare Konfiguration und Fehlerbehandlung.

Bidirektionale Transformator Schnittstelle

Die bidirektionale Signaltransformator-Schnittstelle überträgt Ansteuersignale und Fehlersignale mittels Kurzpulsen, um eine minimale Durchlaufverzögerung zu erreichen. Entsprechende Treiber (siehe Abb. 3) erreichen Verzögerungszeiten von weniger als 80ns mit weniger als ±1ns Jitter. Im Fall einer Kollision dominiert das Fehlersignal sowohl Steuersignale als auch transiente Störungen dank einer längeren Pulsdauer. Grundsätzlich werden sekundärseitige Fehlerzustände in weniger als einer Mikrosekunde auf die Primärseite übertragen. Dadurch wird auch die Steuerbarkeit von IGBTs in Parallelschaltung oder in von Multi-Level Umrichter-Topologien ermöglicht. Einer der verfügbaren Fehlerbehandlungs-Modi zeigt daher erst den Fehler an, bevor der entsprechende IGBT durch die kundenseitige Ansteuerung oder  nach einer einstellbaren Verzögerungszeit durch den Treiber abgeschaltet wird.

Betriebsmodi

Der sogenannte Direktmodus erlaubt den unabhängigen Betrieb beider Treiberkanäle. Dieser Modus bietet die höchste Flexibilität für den Kunden und ist daher bevorzugt geeignet für mittels Mikrocontroller gesteuerte Systeme. Im Halbbrückenmodus benutzt der IC nur einen Eingang als gemeinsames Schaltsignal und erzeugt daraus zwei gegeneinander invertierte Signale mit einstellbaren Totzeiten. Ein dritter Modus ist optional verfügbar und für die Implementierung einer gegenseitigen Veriegelung vorgesehen. Die Einstellung des Betriebsmodus und der Totzeiten erfolgt durch einen einzigen Widerstand.

Fehlerbehandlung

Auf der Primärseite kann jeder Fehlerzustand durch eine Blockierzeit verlängert werden, während derer der relevanter Kanal im ausgeschalteten Zustand gehalten wird. Die Zeit ist einstellbar und kann auch auf Null gesetzt werden durch einen einzigen Widerstand.

System-Integration

CONCEPTs proprietärer Chipsatz dient als Hauptplattform für die Implementierung der nächsten Generation von IGBT Treibern. Abb. 4 zeigt einen leicht vereinfachten Schaltplan eines Plug-and-Play IGBT Treibers für Hochspannungs-IGBTs bis 6500V mit einer verbesserten Active-Clamping Funktion. Die Treiberfähigkeit von 40A / 6W wird durch externe n-Kanal DMOS für die Ausgangsstufen des Gatetreibers und des DC/DC Wandlers erreicht. Verglichen mit dem bisherigen Chipsatz [3] reduziert sich der totale Bauelementeaufwand um mehr als 60%.

• IGBT Treiber mit exakter Verzögerung
• Schaltfrequenzen bis 750kHz
• Parallel- und reihengeschaltete IGBTs

• Hochintegrierte Lösung
• Schnelle und vielfältige Anpassbarkeit
• Flexibles Fehlermanagement
• 2-Level, 3-Level und Multilevel- Topologien
• Zuverlässig, hohe Nutzungsdauer

• Geregelte Gate-Emitter Spannung
• Integrierter 8A / 0.8W Treiberkern
• Einfach skalierbar bis 60A / 20W
• separate Gatestrompfade
• Verbessertes Active Clamping
• IGBT Kurzschluss-Schutz
• Sekundärseitiger Fehlereingang / -ausgang
• Speisungsüberwachung
• Lichtwellenleiter-Schnittstellen *
• Signal-Transformator-Schnittstelle *

• DC/DC Schaltnetzteil-Funktionalität
• Speisungsüberwachung
• Signal-Transformer Schnittstelle
• Fehler-Ausgänge

• Optimiert für IGBTs bis 3300V
• Signal-Transformator-Schnittstelle
• Schmitt-Trigger Eingänge
• Kompatibel zu 3.3V...15V Logik
• Kompatibel zu allen Logikfamilien
• Direkt- und Halbbrückenmodi
• Verzögerunszeit < 80ns
• Verzögerungszeit-Jitter < ±1ns
• Hervorragende EMC (dv/dt > 100V/ns)

• Optimiert für IGBTs bis 6500V
• Lichtwellenleiter Signal-Schnittstelle
• Signalflanken-Quittierung
• Fehler-und Status-Rückmeldung

* = je nach Bondingvariante