FPGA steuert Leistungshalbleiter an

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Höhere Spitzenleistung durch Nutzung von Zeitkonstanten

Gerade bei Traktionsantrieben sind höhere Leistungen für einige Sekunden gefordert. Eine während der aktiven Momentenregelung fliegend umschaltbare PWM-Frequenz gestattet höhere Überlasten oder die Verwendung kleinerer IGBT und damit Kostensenkungen. Die Wahl der geeigneten PWM-Frequenz ist als Optimum aus verschiedenen Anforderungen zu sehen. Höhere PWM-Frequenzen senken die Wärmeentwicklung im Motor durch Reduktion des Strom-Ripples, erhöhen aber die Verluste der Leistungshalbleiter.

Ein Vergleich der thermischen Verhältnisse zeigt, dass eine Reduktion der Schaltfrequenz von 9 auf 4,5 kHz eine Erhöhung des Ausgangsstromes um 40 bis 45% gestattet. Mittels der FPGA-basierten Regelung gelingt es, die PWM-Frequenz fliegend umzuschalten, ohne dass im erzeugten Motormoment größere Einflüsse zu sehen sind. Dies ermöglicht es, von den im Normalbetrieb vorteilhaften 9 kHz für bestimmte Betriebszustände auf 4,5 kHz und zurück zu wechseln. Die thermische Zeitkonstante der Leistungshalbleiter liegt im Bereich unter 100 ms; die von Motoren deutlich oberhalb 100 s. Für eine starke Beschleunigungsphase oder für eine Anfahrsituation etwa aus einem Schlagloch heraus (Elektromobilität) bietet es sich an, dieses Verhalten zu nutzen und für z. B. 10 s die Schaltfrequenz abzusenken.

Die FPGA-Regelungstechnik stellt ein Werkzeug dar, den Aufbau von Endstufen preisgünstiger zu gestalten. Es ergeben sich zusätzlich weitere Möglichkeiten, speziell bei Motoren mit Permanent-Magneten. Die Magnete solcher Motoren reagieren sehr empfindlich auf unerlaubt hohe äußere Magnetfelder. Es genügen wenige µs an Überlast, um eine irreversible Teilentmagnetisierung auszulösen.

Aus diesem Grund dimensionieren Motorenbauer ihre Motoren mit entsprechender magnetischer Reserve. Wenn wie hier, durch sichere Beherrschung der Ströme bis in den µs-Bereich Überschwinger sehr klein bleiben, lassen sich Motoren realisieren, die bei gleichem Drehmoment, gleicher Leistung, gleichem Wirkungsgrad und gleichen Abmessungen bis zu 30% weniger Magnetmaterial benötigen. Die strategische Abhängigkeit vom Rohmaterial und die hohen Preise für diese Magnete zeigen, dass eine Einsparung dieser Größenordnung wirtschaftlich entscheidend ist.

Der Leistungshalbleiter stellt die Kernkomponente dar, die die Kontrolle des Leistungsflusses ermöglicht. Um der anspruchsvollen Aufgabe gewachsen zu sein sind neben den elektrischen Eigenschaften zusätzlich mechanische sowie thermische Gegebenheiten zu berücksichtigen. Während der Entwicklungsphase sind der Leistungshalbleiter, der Kühlkörper und das Lastprofil als untrennbare Einheit zu betrachten. Genaue Kenntnisse über diese Einheit ermöglicht die exakte Bestimmung der Chiptemperatur sowie des zu erwartenden Temperaturhubes.

Üblicherweise stellen Halbleiterhersteller Informationen zur Verfügung, die es dem Entwickler gestatten, auf Basis des prognostizierten Temperaturhubes die Anzahl an Lastzyklen zu bestimmen, die ein Halbleiter in einer Applikation übersteht. Mit Kenntnis der Applikation und der zu erwartenden Zyklen pro Tag ergibt sich aus dieser Zyklenzahl eine Nutzungsdauer.

Anforderungen für die Applikation Elektro-Bus für den öffentlichen Personen-Nahverkehr sehen bis zu 60.000 Betriebsstunden in 15 Jahren Nutzungsdauer vor, was einer Laufleistung von 1 Mio. km entspricht. Um diesen hohen Anforderung genügen zu können, kamen Leistungsmodule vom Typ EconoDUAL 3 zum Einsatz. In der Entwicklung dieser neuen Modulgeneration sind umfassende Veränderungen eingeflossen, die die mechanische Robustheit, die thermische Kopplung und die elektrischen Eigenschaften verbessern. Anhand von den in Bild 3 dargestellten Details lassen sich die Veränderungen und ihre Auswirkungen auf das Design erklären.

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