Power-Module DIPIPM+-Modul-Baureihe für Kompakt-Umrichter

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Alle IPMs der neuen DIPIPM+-Baureihe integrieren Gleichrichter, Bremssteller und Wechselrichter. Optimierte IGBT- und FWDi-Chips mit HV- und NV-ICs sind auf einem gemeinsamen Leadframe assembliert.

Der Trend zur Miniaturisierung von Umrichtern ist ungebrochen. Welche Möglichkeiten bieten sich beim Entwickeln neuer kompakter Umrichter an und wie lassen sich gleichzeitig die Kosten des Designs reduzieren? Als Antwort auf diese zentralen Fragen stellt Mitsubishi Electric die DIPIPM+-Baureihe vor [1]; [2].

Die Modulserie gibt es mit sechs verschiedenen Nennströmen in zwei auswählbaren Konfigurationen: Gleichrichter-Bremssteller-Wechselrichter-Topologie (Bild 1) oder Gleichrichter-Wechselrichter-Topologie (Bild 2). Beide Leistungsmodule tragen das gleiche, kompakte Dual-Inline-Gehäuse.

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Den Überblick über die implementierten Funktionen des DIPIPM+ [2] gibt das Blockdiagramm in Bild 4: Die p-seitigen IGBTs werden über ein Hochvolt-IC mit Eingangs-Signalaufbereitung, Level-Shifter und Unterspannungs-Schutz angesteuert. Aus einer einzelnen externen 15-V-Versorgung wird die Ansteuerleistung für die p-seitigen IGBTs über integrierte Bootstrap-Dioden und Widerstände bereitgestellt; die n-seitigen IGBTs über ein Niedervolt-IC mit Eingangs-Signalaufbereitung, Kursschluss-Schutz und Unterspannungs-Schutz. Das LVIC besitzt außerdem einen präzisen analogen Temperatur-Signalausgang VOT und eine Fehlerrückmeldung Fo im Falle des Auslösens einer Schutzfunktion.

Bei der Entwicklung eines neuen Umrichters für den allgemeinen Industrieeinsatz liegt ein Schwerpunkt des Interesses stets auf der Reduzierung der Gesamtkosten. Diese setzen sich zusammen aus den Entwicklungskosten, Materialkosten und Herstellungskosten. Für jeden dieser Kostenfaktoren bietet die neue DIPIPM+-Baureihe interessante Lösungen.

Entwicklungskosten und Design-Zeit verringern

DIPIPM+ ist ein All-in-One-Umrichtermodul, welches aus einem dreiphasigen Eingangsgleichrichter, einem Bremssteller und einem dreiphasigen Ausgangswechselrichter besteht und alle wichtigen Gate-Treiber- sowie Schutzfunktionen vereint (Bild 4). Um die Entwicklungskosten (und insbesondere die Entwicklungszeit) zu reduzieren, wurde eine Plug-and-Play-Testplatine [3] entwickelt (Bild 5).

Diese Testplatine enthält alle notwendigen peripheren Komponenten, um einen Umrichter-Prototypen mit DIPIPM+ schnell zu realisieren: den Snubber-Beschaltungskondensator, die (nicht isolierte) Schnittstelle zum Mikrocontroller, Shunt-Widerstände zur Erfassung der n-seitigen Emitter-Ströme, Komparatoren zum Überstrom-Schutz, Bootstrap-Kondensatoren für die p-seitigen IGBTs, einen Einschaltstrombegrenzer für die Zwischenkreisaufladung und zahlreiche Testpunkte zur Signalerfassung. Einen einfachen Versuchsaufbau mit der DIPIPM+Testplatine zeigt Bild 6.

Der AC-Netzanschluss, Bremswiderstand, Motor, Zwischenkreis-Kondensator, die Ansteuer-MCU und 15-V-Versorgung werden über Klemmen (CON1…CON5) angeschlossen. Die einzige Komponente, die sich auf der Leitplattenunterseite befindet, ist das DIPIPM+. So kann schon mittels eines solchen ersten Prototyp-Aufbaus die passende Kühlkörperstruktur experimentell im realen Umrichter-Betrieb ermittelt werden. Da der Kühlkörper insbesondere bei Kompakt- oder Einbau-Umrichtern eine die gesamte Gerätekonstruktion bestimmende mechanische Komponente ist, kann die frühzeitige experimentelle Verifizierung des passenden Kühlkörpers helfen, die Entwicklungszeit zu verkürzen.

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