Beim Thema Leistungsdichte steht häufig der Leistungshalbleiter als zentrale Komponente im Fokus. Halbleiterhersteller betrachten Leistungsdichte in Form von Stromtragfähigkeit des Chips meist als zweidimensionale Grösse in A/cm2. Hersteller von Umrichtern hingegen streben nach kompakteren Aufbauten und haben kW/dm3 im Blick. Die Kombination von JFETs auf Basis von Sili- ziumkarbid (SiC) mit moderner Treibertechnologie und innovativem thermischem Management in einem Matrixumrichter eröffnet eine neue Dimension der Leistungsdichte in der Frequenzumrichtertechnik. Doch die Steigerung der Leistungsdichte führt unweigerlich zu lokalen Temperaturerhöhungen, speziell im Leistungshalbleiter und seiner direkten Umgebung.
Die gewinnbringenden Eigenschaften sogenannter Wide-Bandgap-Materialien wie SiC bestehen unter anderem darin, dass man die Umrichter bei höherer Junction-Temperatur betreiben kann. Um dies auch ausschöpfen zu können, ist eine gegenüber den höheren Temperaturen unempfind- liche Umgebung notwendig. Da unter an-derem die DC-Kondensatoren in Umrich- tern dies begrenzen, wurde eine Matrix- topologie gewählt, um dieses Nadelöhr zu eliminieren.
Bidirektionaler Schalter aus zwei Chips
Der Direktumrichter besteht aus einer Matrix von bidirektionalen Schaltern. Für den Demonstrator haben die Spezialisten diese mit SiC-JFETs von Infineon aufgebaut. Ein einzelner bidirektionaler Schalter besteht aus vier Dies. Jeweils zwei davon sind in Anti-Serie geschaltet und haben einen gemeinsamen Drain-Anschluss. Bild 1 zeigt links die Schaltung sowie rechts ein Foto des Aufbaus im Modul.
Im Bild ist zu erkennen, dass der Aufbau keinen zusätzlichen Platz für Freilaufdioden in Anspruch nimmt, da diese als intrinsische Body-Diode Teil des SiC-Dies sind. Ein einzelner bidirektionaler Schalter besteht daher nur aus zwei statt vier Chips, was weiter zur Erhöhung der Leistungsdichte beiträgt. Die Parallelschaltung zweier solcher Anordnungen ist notwendig, um die gewünschte Stromtragfähigkeit zu erzielen, und erlaubt die effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche.
Neue Treiberentwicklung für ein effizienteres Design
Weil der Matrixumrichter aus einer 3×3-Matrix bidirektionaler Schalter aufgebaut ist, sind in Summe 18 Gate-Treiber notwendig. Dabei kommt der kürzlich vorgestellte 2-Kanal-Treiber 2 ED 020 I 12 FA in der kompakten Treiberbaugruppe zum Einsatz.
Das mit 36 Pins ausgestattete Gehäuse beinhaltet zwei Treiberkerne mit gemeinsamer Logikseite. Wie in allen ICs der EiceDriver- Familie geschieht die galvanische Trennung mittels Coreless-Transformer-Technologie. Die hohe Integrationsdichte führt zu erheblicher Einsparung beim PCB-Platz. Eine zusätzliche Konsequenz der gemeinsamen Logikseite ist der geringe Bedarf an diskreten Komponenten auf der Ansteuerseite.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften hat die Ansteuerbaugruppe für die 18 Kanäle auf einer kleinen Platine von 60 × 120 mm Platz. Die hier verwendete Technologie eignet sich speziell für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen; sie erlaubt eine maximale Junction-Temperatur der Halbleiter von 150 °C.
Thermisches Management hilft bei der Miniaturisierung
Betrachtet man Baugruppen auf Flüssigkühlern und vernachlässigt dabei das zusätzliche Volumen von Kühlaggregaten, Pumpen und Lüftern in den Überlegungen, ergeben sich hohe Leistungsdichten. Flüssigkühlung eignet sich aber nicht in jedem Fall; ausserdem führt sie zu höheren Kosten und grösserem 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 lässt sich das Volumen des fertigen Gerätes minimieren.
Applikationsspezifischer Kühlkörper
Deshalb haben die Forschenden einen spe-ziellen Kupferkühlkörper entworfen und hergestellt. Er ist, wie in Bild 3 erkennbar, mit Lüftern ausgestattet, die bündig mit der Oberkante der Kühlrippen abschliessen; der umgebende Bauraum ist der kleinstmögliche und die Lüfter vergrössern das notwendige Volumen nicht unnötig. Mit 122 × 62× 20 mm hat der Kühlkörper ein Volumen von lediglich rund 150 cm3, während ein thermisch vergleichbarer Aluminiumkühler einen umgebenden Quader von 800 cm3 aufweist.
Obwohl die applikationsspezifische Lösung 80 Prozent des Volumens einspart, weist sie bemerkenswerte thermische Eigenschaften auf. Während 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 EMV-Auflagen 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 Verbesserung. 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.
Gesetztes Ziel in Sachen Bauraum übertroffen
Der Matrixumrichter generiert sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig sinusförmige Stromverläufe und gestattet die Einstellung des Leistungsfaktors. Dies macht eine zusätzliche PCF-Stufe überflüssig. Typische Stromverläufe für den Netzstrom sind in Bild 4 dargestellt. Aus diesen Gründen ist mit dem Matrixumrichter die Einhaltung der EMV-Richtlinien weniger kritisch.
Ziel dieses Projekts 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 haben die Forschenden dieses Ziel sogar übertroffen.
Höhere Leistungsdichten sind auch in Zukunft gefragt
Obwohl das Projekt Matrixumrichter 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 nochmals einen deutlichen Schub erfahren werden. Der offensichtlichste Vorteil 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. Bei den sich ergebenden Optionen muss man abwägen, ob man mehr Leistung im gleichen Volumen oder gleiche Leistung bei kleinerem Volumen wählt. Letzteres ebnet den Weg der Integration der Umrichtertechnik in Volumina, die bisher ungenutzt waren, weil sie zu klein erschienen.
Der in diesem Artikel gezeigte Frequenzumrichter fände beispielsweise in dem Anschlusskasten eines 18,5-kW-Normmotors Platz. Überlegungen wie diese würden beispielsweise den Entwurf und die Entwicklung dezentralisierter Systeme wesentlich erleichtern und die Nutzung von Leistungselektronik in Umgebungen erlauben, die bisher nicht im Fokus standen.
Datenblatt 2ED020I12FA: 18_14.52.pdf
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