Anbieter zum Thema

Infineon Technologies AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ISH Ingenieursozietät GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Thermisches Management hilft bei der Miniaturisierung

Hohe Leistungsdichten resultieren oft daraus, dass Baugruppen auf Flüssigkühlern betrachtet werden, jedoch das zusätzliche Volumen von Kühlaggregaten, Pumpen und Lüftern vernachlässigt wird. Flüssigkühlung kann aber nicht überall zum Einsatz kommen und führt außerdem zu höheren Kosten und vergrößertem Wartungsaufwand. Um den größtmöglichen Gewinn für dieses Projekt zu erzielen war forcierte Luftkühlung unumgänglich.

Die sich ergebenden höheren Kühlkörpertemperaturen stellen für die SiC-Halbleiter kein Problem dar. Heute finden sich in Anwendungen dieser Größenordnung meist Kühlkörper aus Strangpressprofilen mit stirnseitig montierten Lüftern. Auch an dieser Stelle ergeben sich Möglichkeiten, das Volumen des fertigen Gerätes zu minimieren.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

So wurde ein spezieller Kupferkühlkörper entworfen und hergestellt. Er ist, wie in Bild 3 erkennbar, mit Lüftern ausgestattet, die bündig mit der Oberkante der Kühlrippen abschließen; so wird der umgebende Bauraum der kleinstmögliche und die Lüfter vergrößern das notwendige Volumen nicht unnötig. Mit 122 mm x 62 mm x 20 mm hat der Kühlkörper nur ein Volumen von rund 150 cm³, während ein thermisch vergleichbarer Aluminiumkühler einen umgebenden Quader von 800 cm³ aufweist.

Obwohl die applikationsspezifische Lösung 80% des Volumens einspart, weist sie bemerkenswerte thermische Eigenschaften auf. Währen der Alukühler laut Datenblatt einen thermischen Beiwert von 0,1 bis 0,25 K/W besitzt, bringt es die Kupferlösung nach Messung noch auf einen Wert von 0,2 bis 0,3 K/W.

Verkleinerung der passiven Komponenten im System

Üblicherweise ist nicht der Leistungshalbleiter die Komponente, die das Volumen des Umrichters bestimmt. Bei genauer Betrachtung sind dies die Bauelemente in Zwischenkreisanordnungen sowie die Kühlkörper. Um die Regularien der Netzbetreiber erfüllen zu können und die Auflagen bezüglich EMV einzuhalten, sind meist großvolumige LC-Eingangsfilter vorzufinden. Deren Minimierung gelingt durch Vergrößerung der Schaltfrequenzen. Auch hier bietet sich durch die Verwendung von SiC-Halbleitern eine Verbesserungsmöglichkeit.

Der Demonstrator arbeitet daher mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz. Dies reduziert die Bauelemente der Eingangsfilter auf LC-Glieder mit 1 µF und 50 µH. Wegen der thermisch angespannten Situation und dem kleinen zur Verfügung stehenden Bauraum sind die Kondensatoren als Hochtemperatur-Keramikkondensatoren in SMD-Bauweise ausgeführt.

Hinsichtlich Bauraum wurde das gesetzte Ziel übertroffen

Der Matrix-Umrichter generiert sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig sinusförmige Stromverläufe und gestattet die Einstellung des Leistungsfaktors, was eine zusätzliche PCF-Stufe überflüssig macht. Typische Stromverläufe für den Netzstrom sind in Bild 4 dargestellt. Aus diesen Gründen stellt sich mit dem Matrixumrichter die Einhaltung der EMV-Richtlinien als weniger kritisch dar.

Ziel dieses Projektes war es, für den gesamten Inverter inklusive Kühlsystem eine volumetrische Leistungsdichte von 20 kVA/dm³ zu erreichen. Mit 20 kVA und einem Volumen von weniger als 900 cm³ wurde dieses Ziel nicht nur erreicht, sondern sogar übertroffen.

Die Leistungsdichte wird sich auch in Zukunft weiter erhöhen

Obwohl das Projekt Matrix-Umrichter das Thema Leistungsdichte auf die Spitze getrieben hat, kann man mit Sicherheit davon ausgehen, dass die Werte heutiger Designs von maximal 2 kW/dm³ in den kommenden Jahren einen deutlichen Schub erfahren. Der offensichtlichste Vorzug ist die hier gezeigte Reduzierung von Ressourcen, die pro installiertem Kilowatt einzusetzen sind. Außerdem profitiert das Design von Einsparungen bei den Eingangsfiltern als Konsequenz der hohen Schaltfrequenz.

Neue Einbaumöglichkeiten für die Leistungselektronik

Eine Besonderheit der Topologie ist die inhärente Rückspeisefähigkeit der Anordnung. Die sich ergebenden Möglichkeiten führen auf die Abwägung, ob mehr Leistung im gleichen Volumen oder gleiche Leistung bei kleinerem Volumen gewählt wird. Letzteres ebnet den Weg der Integration der Umrichtertechnik in Volumina, die bisher ungenutzt waren, weil sie zu klein erschienen.

Der hier gezeigte Umrichter fände beispielsweise im Anschlusskasten eines 18,5-kW-Normmotors Platz. Überlegungen wie diese würden zum Beispiel den Entwurf dezentralisierter Systeme erleichtern und erlauben die Nutzung von Leistungselektronik in Umgebungen, die bisher nicht im Fokus standen.

* * Dr. Martin Schulz arbeitet im Application Engineering bei Infineon Technologies AG, Wartein.

* Dr. Liliana De Lillo, Dr. Lee Empringham und Prof. Pat Wheeler entwickelten den Matrix-Umrichter an der University of Nottingham.

(ID:42511370)