Leistungsmesstechnik Wenn statische Messungen bei SiC, GaN und KI-Infrastrukturen versagen

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SiC, GaN und hohe Lasten bringen die klassische Messtechnik an ihre Grenzen. Mit der passenden Messtechnikstrategie lassen sich jedoch der Wirkungsgrad und das dynamische Schaltverhalten von WBG-Halbleitern fehlerfrei validieren.

Von der E-Fahrzeug-Schnellladung und regenerativen Energiesystemen bis hin zu KI-Rechenzentren und netzgekoppelten Infrastrukturen müssen Entwickler höhere Wirkungsgrade, gesteigerte Leistungsdichten und verlässliche Performance unter hochdynamischen Bedingungen liefern. Dieser Wandel hat Einfluss auf die Messtechnik. Es reicht nicht mehr aus, Durchschnittsleistungen zu bestimmen oder Systeme ausschließlich unter statischen Bedingungen zu validieren.

Entwickler benötigen zeitlich synchronisierte Einblicke in Wirkungsgrad, Schaltverhalten, Oberschwingungen (Harmonische), transientes Ansprechverhalten, thermische Effekte und Netzqualität. Werden diese Effekte von den Messinstrumenten nicht präzise erfasst, weichen Verlust- und Wirkungsgradberechnungen massiv von den realen Betriebsbedingungen ab.

WBG-Halbleiter und das Bandbreiten-Dilemma

Mit dem Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) steigen die Anforderungen an die Messtechnik weiter. Wide-Bandgap-Halbleiter erlauben höhere Schaltgeschwindigkeiten bei geringeren Verlusten als klassische Silizium-Bauteile. Gleichzeitig erzeugen sie steilere Flanken, hochfrequentes Rauschen und komplexere Signalformen. Zudem steigen die Systemspannungen: Bei der E-Mobilität wandern die Ausgangsspannungen von Schnellladern von 400 bis 600 V Richtung 1 kV, während USV-Systeme für Rechenzentren Multi-Megawatt-Lasten bewältigen müssen.

Schaltvorgänge finden im Mikrosekundenbereich statt, während sich thermische Effekte über Minuten oder Stunden entwickeln. Damit es nicht zu Fehlern kommt, greifen herkömmliche Bandbreitenkriterien zu kurz. Anders als bei reinen Signalanalysen orientiert sich die Bandbreite zur Wirkungsgrad- und Leistungsbestimmung an der am wenigsten verzerrten Signalform. High-Speed-Schaltspannungen erzeugen dreiecksförmige Verzerrungen auf den Stromverläufen. Somit gibt der Strompfad die erforderliche Bandbreite vor:

• Das Fünf- bis Siebenfache der Schaltfrequenz ist oft nötig, um den Messfehler unter 0,05 % zu halten.

• Sollen Signalformen vollständig rekonstruiert werden, steigt dieser Wert auf das bis zu 25-Fache.

Bei SiC-basierten Systemen mit einer Schaltfrequenz von 20 kHz ist für die erforderliche Präzision eine Strommessbandbreite von rund 500 kHz erforderlich. Hinzu kommen die elektromagnetischen Störungen (EMI): Die hochfrequenten Flanken strahlen Störungen ab, die Messinstrumente beeinflussen können. Instrumente müssen daher unter realen Schaltbedingungen validiert werden, was nicht immer unter idealen Laborbedingungen erfolgt.

USV-Systeme für KI-Rechenzentren

Gerade die Energieversorgung eines Rechenzentrums steht im Fokus der Messtechnikanforderungen. KI-Workloads erzeugen rapide, unvorhersehbare Lastsprünge. Ingenieure im Bologna Power Customer Experience Centre von Vertiv entwickeln Leistungskonverter und USV-Systeme für diese Hochleistungs-Infrastrukturen.

Um Millisekunden-Lastspitzen abzufangen, setzen die Entwickler auf Eingangsleistungsglättung (Input Power Smoothing) mit Modulen, die bis zu 2,5 MW in einem Modul verarbeiten. Dabei wird USV-Batterieenergie während Leistungsspitzen genutzt, um das vorgelagerte Netz zu schützen und Rückwirkungen auf Generatoren zu verhindern.

Die Validierung dieses Systemverhaltens erforderte einen hochkomplexen Messaufbau. Die USV-Systeme umfassten AC-Netzeingänge, DC-Batterieeingänge und dreiphasige Ausgänge. Entwickler mussten Ströme bis zu 5.000 A sicher handhaben und gleichzeitig Leistungsfluss, Signalformen, Rauschen, harmonische Verzerrungen sowie thermische Effekte während schneller Schaltvorgänge parallel erfassen.

Durch die Kombination aus Präzisions-Leistungsanalysatoren, isolierten Mixed-Signal-Oszilloskopen, Datenerfassungssystemen und einer integrierten Softwareplattform (im konkreten Fall Yokogawa WT5000, DL950, GM10 und IS8000) konnten die Ingenieure elektrische, thermische und transiente Daten zeitlich synchronisiert auswerten. Das lieferte den Nachweis, dass die Glättungsalgorithmen Generatoren vor gefährlichen Resonanzen schützen.

Messtechnik als Wettbewerbsfaktor

Ob 1-kV-Schnellladeinfrastruktur, netzgekoppelte erneuerbare Energien oder Multi-Megawatt-KI-Rechenzentren: Schnelle elektrische Transienten, thermische Langzeiteffekte und strenge Effizienznormen erfordern integrierte Messökosysteme. Leistungsfähige Messtechnik ist längst kein reines Hilfsmittel am Ende des Entwicklungsprozesses mehr, sondern ein zentraler Bestandteil des Systemdesigns, der über Time-to-Market und Markterfolg entscheidet. (heh)

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