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Mitsubishi Electric Europe B.V. Semiconductor - European Business Group

RECOM Power GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Steigerung der Umrichter-Performance

Der zulässige Umrichter-Ausgangsstrom Io(rms) für verschiedene DIPIPM+-Modultypen ist in Bild 11 für unterschiedliche PWM-Trägerfrequenzen fc berechnet, wobei angenommen wird, dass ∆T(j-c)=25 K, Vcc=600 V; Tc=100 °C; Tjavg=125 °C; cos phi=0,8; sinusförmige PWM; M=1; Rth(j-c)=max ist. Basierend auf diesem recht konservativen Auslegungsansatz wurden die Motorleistungen in Tabelle 1 abgeleitet [4], wobei hier eine Überlastfähigkeit von 150% für 1 Minute angenommen wurde.

Viele Umrichter-Hersteller sind dazu übergegangen, die maximale Umrichter-Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der zulässigen Überlastfähigkeit zu spezifizieren. Diese als duale (oder multiple) bezeichnete Spezifikationsmethode erlaubt, die Umrichterbaugröße besser an die Applikationsbedingungen anzupassen.

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Falls z.B. in einer Applikation eine geringe Überlastfähigkeit (LO=Low Overload) benötigt wird, kann der größte anschließbare Motor eine Baugröße höher zu spezifizieren. Ist dagegen eine kurzzeitige höhere Überlastfähigkeit (HO=High Overload) gefordert, wird der maximal anschließbare Motor eine Leistungsstufe kleiner spezifiziert. Durch diesen Ansatz wird die Wärme-Impedanz (Wärmekapazität) des Kühlkörpers ausgenutzt, um die während einer kurzzeitigen Überlastsituation abgegebenen Halbleiter-Mehrverluste vom Kühlsystem zu absorbieren.

So ist durch die Nutzung der eingebauten thermischen Systemreserve einer gegebenen Umrichter-Hardware für eine kurze Zeit eine höhere Umrichter-Ausgansleistung erzielbar. Hierzu ist eine genaue Information über die tatsächliche Betriebstemperatur im Leistungshalbleitermodul notwendig. Üblicherweise wird dafür ein NTC auf dem Kühlkörper angebracht oder es wird ein integrierter NTC im Leistungshalbleitermodul verwendet. Das DIPIPM+ bietet hierfür ein analoges Temperatur-Ausgabesignal VOT mit einer linearen Übertragungskennlinie über den gesamten Betriebstemperaturbereich (Bild 12).

Die Nutzung dieses genauen, analogen VOT-Signals ermöglicht es, in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebstemperatur, kurzzeitig deutlich höhere Umrichter-Ausgangsströme auszunutzen als in Bild 11 aufgezeigt; ohne das Risiko, dass die Ansprechschwelle der Übertemperatur-Schutzabschaltung im Umrichter erreicht wird.

Das analoge VOT-Signal des DIPIPM+ kann außerdem genutzt werden, um die Robustheit des Umrichters gegenüber rauen Einsatzbedingungen zu erhöhen. Üblicherweise wird die Spezifikation des Wechselrichters für eine maximale Umgebungstemperatur von Ta=+40 °C angegeben. Bei höheren Umgebungstemperaturen wird dann ein De-Rating der Umrichter-Ausgangsleistung vorgesehen.

Durch die Nutzung des VOT-Signals sind verschiedene andere Optionen für eine adaptive Verlustleistungsabsenkung im Wechselrichter während des Betriebes bei sehr hohen Umgebungstemperaturen aktivierbar: bevor eine kritische Temperatur im Leistungshalbleitermodul erreicht und dadurch eine Übertemperatur-Schutzabschaltung des Antriebs ausgelöst wird, könnte zum Beispiel durch das Senken der PWM-Schaltfrequenz fc oder durch das Reduzieren des Umrichter-Ausgangsstromes für eine thermische Entlastung gesorgt werden.

Gut geeignet für industrielle 400-V-Umrichter

Die DIPIPM-Technologie wurde ursprünglich entwickelt, um eine kosteneffektive und zuverlässige Umrichter-Antriebslösung für in sehr hohen Stückzahlen produzierte Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen, Klimaanlagen, Kühlschränke zu schaffen [5]. In den letzten 20 Jahren hat Mitsubishi Electric mehr als 450 Millionen DIPIPM-Module in verschiedenen Gehäusen, Spannungen und Nennströmen hergestellt. Für industrielle 400-V-Umrichter konnten bisher 1200-V-DIPIPMs eingesetzt werden, für die jedoch ein separater Eingangsgleichrichter und ggf. ein Bremssteller erforderlich waren.

Die neue 1200-V-DIPIPM+-Baureihe wurde als All-In-One-Lösung für die speziellen Bedürfnisse kompakter industrieller 400-V-Umrichter entwickelt. Die Isolationsspannung beträgt Viso = 2500 VAC und alle relevanten Kriech- und Luftstreckenanforderungen werden erfüllt (Bild 13). Das Gehäuse des DIPIPM+ ist frei von Siloxan und deshalb gut geeignet für Anwendungen, in denen die Verwendung von IGBT-Modulen mit Silikongel nicht erlaubt ist. Die DIPIPM+-Serie ist UL-zertifiziert (UL1557 File E323585) und ROHS-konform.

Literatur und Quellenhinweise

[1] Mitsubishi Electric Corp.: “Mitsubishi Electric to launch DIPIPM+ Series” Pressemitteilung Nr. 2928; 07.05.2015

[2] M. Honsberg et al.: “A novel Transfer Molding Intelligent Convert Inverter Brake IGBT module (DIPIPM+) with integrated level shifting control ICs”, PCIM Europe 2016, Conference proceedings, .889-894

[3] Mitsubishi Electric Corp.: DIPIPM+ Testplatine User Manual (Datum der Veröffentlichung: Juli 2015)

[4] Mitsubishi Electric Corp.: „DIPIPM+ Series“ Application Note DPH-12856 (Datum der Veröffentlichung: Juli 2016)

[5] S. Noda et al.: “A novel Super Compact Intelligent Power Module”, PCIM Europe 1997, Conference proceedings S.1-9

* Muzaffer Albayrak ist Senior Business Development Engineer Power Semiconductors bei Mitsubishi Electric, Ratingen.

* Eckhard Thal ist Chief Engineer Power Semiconductors.

* Kosuke Yamaguchi ist OJT Engineer Power Semiconductors.

* Teruaki Nagahara ist Application Engineer in Power Device Works Section B bei Mitsubishi Electric, Fukuoka/Japan.

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