Umrichter Skalierbare Power-Module für unterschiedliche Stromklassen

Durch eine Plattformstrategie (gleiche oder skalierbare Gehäuseformen für unterschiedliche Anwendungen und Leistungsbereiche) lassen sich Umrichter für unterschiedliche Ansprüche konfigurieren.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

CTX Thermal Solutions GmbH

RECOM Power GmbH

SEMIKRON International GmbH

Elektrische Antriebe erfüllen inzwischen sehr unterschiedliche Aufgaben in industriellen und öffentlichen Anwendungen sowie in Fahrzeugapplikationen. Industriebeispiele sind Werkzeugmaschinen, Pumpen, Aufzüge und Hubfahrzeuge. Hier gibt es einerseits einen hohen Spezialisierungsgrad der Umrichter, andererseits einen aus Kostenaspekten getriebenen Wunsch nach Standardisierung.

Eine Möglichkeit die verschiedenen Applikationsanforderungen zu erfüllen ist, eine einheitliche Hardwareplattform zu verwenden, die gezielt per Software parametrisiert wird. Zudem haben nicht selten Hersteller von Umrichtern zusätzlich den Wunsch, innerhalb dieser Hardwareplattform unterschiedliche Leistungsklassen zu nutzen und dabei die eingesetzten Komponenten ebenfalls zu skalieren.

Seit fast sechzig Jahren hat Semikron die Ansprüche, die Umrichterhersteller an die Entwicklung der leistungselektronischen Baukomponente für Umrichter haben, im Fokus. Durch eine Plattformstrategie (gleiche oder skalierbare Gehäuseformen werden für unterschiedliche Anwendungen und Leistungsbereiche eingesetzt) lassen sich Umrichter für unterschiedliche Ansprüche konfigurieren.

Optimal kombiniert bedeutet höchste Effizienz

Elektrische Umrichtersysteme unterliegen seit Jahren der Forderung nach Kosteneffizienz und Größenoptimierung. Das hohe Einsparpotenzial, das einem Motorumrichter innewohnt, macht die Notwendigkeit einer CO2-Einsparung und einer höheren Energieeffizienz deutlich. Aber noch immer sind nur etwa 10% der weltweit eingesetzten Motoren durch Leistungselektronik geregelt. Im Vergleich zu einem ungeregelten Motor kann ein umrichterkontrollierter Motor bis zu 30% der elektrischen Energie einsparen.

Um die maximale Effizienz eines Antriebes zu erreichen, ist es notwendig Ansteuerung, Kühlung und das verwendete Silizium optimal zu kombinieren. Dies kann durch bessere Schaltungstopologien, resonante Umrichter und höhere Schaltfrequenzen erreicht werden, die wiederum kleinere Induktivitäten und damit geringere Kosten und Volumina ermöglichen. Die Qualität des Ausgangssignals eines Umrichters muss in den immer dynamischeren Netzen verbessert werden, während gleichzeitig die Anforderungen an die EMV steigen. Standards und Zulassungsvorschriften werden immer komplexer bei gleichzeitig zunehmendem Druck, die Entwicklungszeiten zu verkürzen. Der beste Weg diese diametralen Anforderungen zu erfüllen ist der Einsatz von Produkten, die Basis einer Plattform sind und sich dadurch auf unterschiedliche Leistungsklassen anpassen lassen.

Deutlich effizienter durch das Plattformkonzept

Beispiele für solche Modulplattformen sind die MiniSKiiP- und SEMIX-IGBT-Modulreihen. Der MiniSKiiP deckt den Leistungsbereich von 1 bis 37 kW in vier verschiedenen Gehäusegrößen ab. In jeder Gehäusegröße gibt es bis zu drei unterschiedliche Stromklassen, um mit einem gleichen Leiterplattenlayout den Leistungsklassen einer Umrichterplattform zu entsprechen.

Die Skalierbarkeit muss sich neben den Gehäusegrößen auch in der Art der Verbindungstechnik und deren Lage fortsetzen. So sind beispielsweise beim MiniSKiiP die Leistungs- und Steueranschlüsse in einer für die Gesamtschaltung auf der Treiberplatine sinnvollen Lage angeordnet. Das Layout ist einfach für größere Leistungen skalierbar. Damit wird wiederum bei der Umrichterentwicklung die Effizienz erhöht.

In der SEMiX-IGBT-Baureihe erzielt man die Skalierbarkeit durch die Modullänge. Gerade im Umrichterbereich mittlerer Leistung zwischen 15 und 200 kW mit geringeren Stückzahlen als im Kleinleistungsbereich können gleiche Zwischenkreisdesigns und Umrichterkonstruktionen eingesetzt werden.

Bei allen vier Bauformen sind die Lage der Leistungs- und Steueranschlüsse skaliert. Die Modullänge variiert je nach Leistungsklasse. Diese Skalierbarkeit setzt sich auch im inneren Aufbau der Module fort. Beim SEMIX werden je nach Leistungsklasse bis zu vier DCBs mit je einer kompletten Halbbrücke intern parallel verbunden. Dies ermöglicht eine hohe Anzahl gleicher Teile bei der Modulproduktion und damit eine konstante Fertigungsqualität. In der Anwendung ergibt sich für die Module ein vergleichbares Schaltverhalten, da das Layout der Halbbrücken identisch ist und gleiche Kommutierungspfade vorhanden sind.

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