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Integrierte Shunt-Widerstände in Leistungsmodulen reduzieren Systemkosten : Ausgabe 08/2017, 10.05.2017

Optimieren durch Integrieren

Beim Blick auf die Stücklisten heutiger Frequenzumrichter des mittleren Leistungsbereichs von 75 bis 160 kW fällt auf, dass die Stromsensoren inklusive deren Befestigung, Versorgung und Anbindung einen erheblichen Teil der gesamten Materialkosten ausmachen. Zusätzlich zu den reinen Materialkosten muss man für diese Sensoren auch Bauraum zur Verfügung stellen. Ausserdem sind die Sensoren manuell zu montieren und anzuschliessen, was weiteren Aufwand im Montageprozess generiert.

Bilder: Semikron

Der Markt für Frequenzumrichter bietet eine grosse Anzahl funktional ähnlicher Geräte, welche alle die nötigen Minimalanforderungen erfüllen. Somit sind diese Systeme mehr oder weniger problemlos untereinander austauschbar. Auch die angewandten Qualitätsstandards sind ähnlich hoch, somit ist eine Differenzierung nur noch über applikationsspezifische Sondergeräte oder die Reduzierung der Kosten möglich. Einen innovativen Ansatzpunkt zur Kostenoptimierung bietet die Integration von Zusatzfunktionen ins Leistungsmodul. Semikron beispielsweise bietet in der SEMiX-3-Press-Fit-Baureihe IGBT-Module in Halbbrückentopologie mit integrierten Shunts zur Strommessung.

Integrierte Shunt-Widerstände zur Strommessung

Das IGBT-Modul mit integrierten Shunt-Widerständen zur Strommessung will Aufwände reduzieren, es sind auch keine zusätzlichen Stromsensoren mehr erforderlich. Bei der genannten Produktfamilie handelt es sich um IGBT-Module in Halbbrücken- oder Chopper-Topologie für 1200 oder 1700 V bis 600 A. Mit 17 mm Bauhöhe entspricht das Modul dem Industriestandard für mittlere bis hohe Leistungen. Durch die Verwendung von Press-Fit-Kontakten für die Hilfsanschlüsse erfolgt die Montage komplett lötfrei. In Verbindung mit Brückengleichrichtern in gleicher Bauform bietet das System maximale Performance bei optimierten Systemkosten. Neben den deutlich geringeren Kosten bietet die Strommessung über die integrierten Shunt-Widerstände auch Vorteile bei Messgenauigkeit sowie Bandbreite der Messwerte. Die Shunt-Widerstände bestehen aus einer speziellen Legierung, welche bis zu einer Betriebstemperatur von 250 °C eingesetzt werden kann. Durch die geringe Temperaturabhängigkeit sowie hohe Linearität des Shunt-Widerstandes eignet sich das IGBT-Modul optimal für anspruchsvolle Regelungsaufgaben aufgrund der präzisen Feedback-Signale. Angesichts des geringeren Bauteilaufwands und der Einfachheit der Komponenten reduziert sich durch das Modul auch die Ausfallrate im Vergleich zu konventionellen Umrichtersystemen mit Stromwandler. Auch die bei stromkompensierten Sensoren limitierte Überlastfähigkeit wird durch die Shunts deutlich übertroffen.

Die intelligente Integration der Widerstände in das Leistungsmodul benötigt keinen zusätzlicher Bauraum, und das IGBT-Modul bietet die gleichen Leistungsdaten wie baugleiche Module ohne integrierte Messwiderstände.

Integrierte Signalübertragung auf Treiberbaustein

Die Integration der Strommessung bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich: Anstatt eines galvanisch getrennten Signals eines Stromwandlers wird nun eine Spannung auf Zwischenkreispotential gemessen. Bevor diese von einem übergeordnetem Regler weiterverarbeitet werden kann muss zunächst eine Isolierung sowie Digitalisierung stattfinden. Diese Aufgabe übernimmt der Treiber SKYPER 12 in Verbindung mit einem Delta-Sigma-Modulator.

Der Treiber auf ASIC-Basis (Application Specific Integrated Circuit) übernimmt zum Einen die sichere und optimierte Ansteuerung im erlaubten Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA), als auch die Auswertung der Zwischenkreisspannung und der im Modul integrierten Temperaturmessung und stellt diese als sicher galvanisch getrenntes Signal dem Controller zur Verfügung. Der Hersteller bietet zur Evaluierung von Systemen mit dem IGBT-Modul eine Adapterplatine, welche den Treiber an das Modul anbindet.

Durch Integration aller erforderlichen Spannungsquellen und des Signal- und Fehlermanagements in die ASICs konnte die Anzahl der Einzelkomponenten am Treiber um 30 % reduziert werden, was die Lebensdauer, abhängig vom Lastprofil, um bis zu 20 % erhöht. Dadurch erreicht der Treiber eine MTBF Rate von über 8 Mio. Stunden. Die beiden rein digitalen ASIC-Bausteine sind jeweils auf Primär- sowie Sekundärseite eingesetzt und verzichten auf analoge Filterbausteine. Dadurch können die Signallaufzeiten optimiert werden und der zeitliche Versatz der Signale wird auf unter 30 ns reduziert. Die metallische Schirmung der ASIC-Gehäuse gewährleistet höchste Temperaturstabilität und vermindert die Störanfälligkeit.

Keine Messwertabweichungen durch Wandler- oder Bauteiltoleranzen

Eine serielle Schnittstelle im UART-Standard sowie ein differenzielles Signal verbindet den Treiber mit der übergeordneten Steuerung. Der IC-basierte Delta-Sigma-Modulator, welcher sich auf der Adapterplatine befindet, wandelt das Spannungssignal des Shunts in ein digitales Differenzialsignal mit 20 MHz Taktfrequenz um, was die hohe Genauigkeit der Strommessung unterstreicht. Dadurch ergeben sich auf dem weiteren Signalweg bis zur übergeordneten Steuerung keine Messwertabweichungen durch Wandler- oder Bauteiltoleranzen. Die Versorgung des Delta-Sigma-Modulators erfolgt durch die Sekundärseite des Treibers. Je nach gewähltem Modulator-IC erfolgt die sichere Potenzialtrennung entweder kapazitiv oder optisch.

Durch Verwendung des Pakets aus IGBT-Modul sowie dem dafür optimierten Treiber lassen sich die Entwicklungszeiten drastisch reduzieren, da Design-Schleifen in der Entwicklung vermieden wird und dadurch die Systementwicklung in kürzester Zeit abgeschlossen wird.

Durch die verwendete Technologie wird auch der Fertigungsprozess optimiert: Es muss lediglich das Treiber-Board auf das Modul gepresst werden, und somit sind alle Strom-, Spannungs-, und Temperaturmesssyteme montiert. Es werden keine weiteren Platinen zur Signalaufbereitung mehr benötigt, was die Herstellkosten reduziert, bei gesteigerter Qualität und FIT-Rate.

Phase-Change-Material schon im ­Voraus aufgetragen

Die finale Stufe der Integration bietet das vorab aufgetragene Wärmeleitmaterial. Hierbei wird Phase-Change-Material (PCM) verwendet, welches sich bei Raumtemperatur in festem und daher verwischfreiem Zustand befindet. Dies erlaubt im Vergleich zu viskosen Wärmeleitpasten die maximale Prozesssicherheit bei der Montage der Module,

Das Druckmuster des PCM ist perfekt auf die Modulbodenplatte abgestimmt und wird über ein geregeltes Siebdruckverfahren aufgebracht und garantiert damit optimale Verteilung des Wärmeleitmaterials.

Dies resultiert in einem um 10 % niedrigeren Wärmewiderstand, was wiederum zu niedrigeren Sperrschichttemperaturen während des Betriebs führt. Dadurch ergibt sich entweder eine Erhöhung der Lebensdauer des Moduls oder aber auch ein erhöhter Ausgangsstrom, was wiederum die Leistungsdichte erhöht.

Optimiertes Gesamtkonzept durch Integration

Die Verbindung von IGBT-Modul Shunt mit Treiber und voraufgetragenem Phase-Change-Material bietet die maximale Integration von Komponenten, was für das Gesamtsystem deutliche Kostenersparnisse, Bauraumgewinne sowie verkürzte Entwicklungszeiten bei erhöhter Zuverlässigkeit mit sich bringt. Dies empfiehlt auch deren Hersteller als zuverlässige Partner für Umrichterhersteller, um wettbewerbsfähige Geräte für einen anspruchsvollen Markt zu entwickeln. 

Infoservice


Semikron AG
Industriestrasse 19, 8304 Wallisellen
Tel. 044 914 13 33, Fax 044 914 13 30
sales.skch@semikron.com, www.semikron.com

pcim Europe: Halle 9, Stand 341



Semix-3-Press-FitShunt- Evaluation-Kit mit Skyper 12


IGBT-Modul in Halbbrückentopologie mit integrierten Shunts zur Strom­messung


Blockschaltbild des Delta-Sigma-Modulators mit kapazitiver Potenzialtrennung


IGBT-Modul mit voraufgetragenem Phase-Change- Material