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Intelligente Leistungshalbleiter Die Steuerung macht den Unterschied

10.02.2016

Tendenziell werden Geräte immer kleiner und dennoch leistungsstärker. Natürlich auch, wenn sie Motoren enthalten. Leistungshalbleiter und vor allem deren Steuerung spielen hierbei eine wichtige Rolle. Die neueste Generation sorgt nicht nur für bisher unerreichbar niedrige Verluste, sie kann auch Motorausfälle verhindern.

Der Einsatz von Leistungshalbleitern ist heutzutage unausweichlich. Sie sind eines der wichtigsten Bauelemente im Bereich der elektrischen Energietechnik. Nahezu jedes elektronische Gerät nutzt Leistungselektronik, um Energie in die gewünschte Form umzuwandeln. Bei der Umformung von elektrischer Energie ist Effizienz der wichtigste Parameter. Das Einsparen von Verlusten und die maximale Nutzung der Energie gelten als Richtlinie für jedes elektronische System. Insofern werden intelligente Leistungshalbleiter am Markt begrüßt. Das „Small IPM“ (Intelligent Power Module) vereint ein kompaktes Design in Form von Größe und Effizienz unter optimaler Steuerung der Halbleiter bei gleichzeitigem Schutz vor Fehlfunktionen.

Small IPM

Die Intelligenz des Moduls ist bestimmt durch die bestmögliche Steuerung des Halbleiters über vorgeschaltete integrierte Schaltkreise – ICs (engl.: Integrated Circuit), welche das Überwachen modulkritischer Parameter zum Schutz vor Fehlfunktionen ermöglichen. Falsche Ansteuerung der Halbleiter oder nicht ausreichende Versorgungsspannung am Eingang des Small IPM können zum Ausfall des Moduls führen. Reguläre bzw. nicht intelligente Halbleitermodule würden abrupt ihre Funktion verlieren oder im schlimmsten Fall explodieren. Der angetriebene Motor kann dabei ebenfalls Schaden nehmen – Motor und Elektronik müssen dann oft kostspielig ersetzt werden. Das Small IPM hingegen erkennt und signalisiert die Art der Fehlfunktion über einen individuellen Alarmausgang bei weiterem Betreiben des Motors. So können beispielsweise Spannungsschwankungen ausgeglichen werden ohne den laufenden Motor anzuhalten.

Das Small IPM besteht aus einem elektrisch isolierenden Material mit hervorragenden thermischen Eigenschaften zum Abtransport der generierten Wärme während des Betriebs. Auf diesem IMS (engl.: Insulated Metal Substrate) befinden sich die Leistungshalbleiter. Ein IGBT (engl.: Insulated Gate Bipolar Transistor) und eine FWD (engl.: Free Wheeling Diode) bilden zusammen einen elektrischen Schalter, wobei jeweils sechs Chips jeden Typs eine B6-Brücke bilden und somit einen 3-Phasen-Motor antreiben. Die ICs sowie die Bootstrapping Dioden (BSD) hingegen befinden sich auf einer Leiterplatine möglichst nahe an den Halbleiterchips, um die interne Streuinduktivität gering zu halten. Somit ist eine schnelle und sehr direkt Kommunikation zwischen IC und Halbleiterchip gegeben. Das Gehäusematerial besteht aus einem thermisch widerstandsfähigen Epoxidharz und schützt das Innenleben des Moduls vor äußeren Einflüssen. In Reihe angeordnete Pins ragen auf beiden Seiten des Moduls heraus und trennen die Steueranschlüsse von den Leistungsanschlüssen.

Schutzfunktionen

Neben der optimalen Steuerung und Betreiben des Halbleitermoduls sind die Schutzfunktionen besonders hervorzuheben. Wie schon erwähnt, verhindern diese die Beschädigung des Small IPMs und des Motors im Fehlerfall. Folgende Schutzfunktionen sind integriert:

  • Spannungsabfall der Versorgungsspannung

  • Kurzschluss

  • Übertemperatur

Eine stabile Versorgungsspannung ist notwendig, um die Funktionalität des Moduls aufrecht zu erhalten. Sobald die Versorgungsspannung einbricht, operieren die ICs nicht mehr gemäß ihrer Spezifikation und fehlerhafte Schaltimpulse führen zur Beschädigung des Motors. Potentiell können andere elektronische Bauelemente mitbeschädigt werden. Insofern ist jeder IC individuell mit dieser Schutzfunktion ausgestattet. Gleichgültig ob die ICs sich auf hoher oder auf niedriger Potentialseite befinden. Sobald die Spannung auf der Eingangsseite eine bestimmte Schwellenspannung unterschreitet, aktiviert sich die Schutzsequenz. Während dieser Phase wird ein Ausgangssignal generiert, welches an die Peripherie gesendet wird und den Fehlerfall berichtet. Das Small IPM wartet bis die Versorgungsspannung wieder ausreichend hoch ist und startet erneut ohne Anhalten des Motors. Die Peripherie, bestückt mit Logikgattern, kann Abhängig von dem Signal entscheiden, ob das Halbleitermodul sich sicher ausschalten soll und somit den Motor zu stoppen, oder ob es den Vorfall kompensiert und den Betrieb nicht einschränkt.

Im Kurzschlussfall der B6-Brücke sind der obere und der untere IGBT einer Phase gleichzeitig eingeschaltet. Die Energie aus dem Zwischenkreiskondensator wird somit über die IGBTs entladen und führt zu einem hohen Überstrom, der zugleich die Halbleiter erhitzt und letztendlich zur Zerstörung des Halbleitermoduls führt. Die integrierte Schutzfunktion detektiert solch ein Ereignis über eine Referenzspannung und schaltet die aktiven Schalter (IGBTs) sicher ab womit der Kurzschluss beendet ist. Verglichen mit der ersten Generation wurde die Genauigkeit der Stromerkennung erhöht. Somit wird Strom mit hoher Präzision ermittelt und im Falle eines Kurzschlusses adäquater reagiert. Parallel wird ein Alarmsignal an die Peripherie gesendet und der reguläre Schaltbetrieb nach Beendigung des Kurzschlussfehlers wieder aufgenommen.

Das Small IPM verfügt über eine kontinuierliche Temperaturüberwachung über die ICs auf der niedrigen Potentialseite. Mit Hilfe der Relation von Halbleiter-Chip-Temperatur und IC Temperatur wird das Modul vor Überhitzung geschützt. Sobald die Referenztemperatur zu hoch ist, werden alle unteren IGBTs abgeschaltet. Trotz Überschreiten der Schwelltemperatur sendet der autonome Pin zur Temperaturüberwachung weiter ein Spannungssignal und meldet die vorliegende Temperatur an die Peripherie. Durch das Abschalten der IGBTs fließt kein Strom in den Motor welches zur Abkühlung des Systems beiträgt. Sobald die Temperatur sich unterhalb der Referenztemperatur befindet, startet der Schaltbetrieb des Small IPMs erneut und der Motor wird mit Strom versorgt. Während dieser Sequenz wird der Motor nicht angehalten und wird regulär weiter betrieben.

Features

Das Small IPM in seiner zweiten Generation zeigt die geringste Verlustleistung am Markt aufgrund der Nutzung neuester Halbleitertechnologie. Geringere Verluste bedeuten eine Einsparung von Energie und Energiekosten. Ein weiterer Vorteil, der sich mit der Verwendung neuester Technologien ergibt, ist eine höhere Leistungsdichte auf gleichbleibender Fläche, verglichen mit der ersten Generation des Moduls. Der Ausgangsstrom des Umrichters konnte um circa 20 Prozent erhöht werden, woraus eine bemerkenswerte Leistungssteigerung resultiert. Dieser Effekt ist möglich aufgrund einer höheren Temperaturfähigkeit der IGBTs und FWDs im Small IPM. Bei älteren Generationen verschiedener Hersteller durfte die maximale Temperatur im Betrieb 125 °C nicht übersteigen. Die zweite Generation hingegen erlaubt eine maximale Betriebstemperatur von 150 °C, dementsprechend wird allein durch den Einsatz der zweiten Generation des Small IPM ein deutliches Plus an Leistung realisiert. Ein einfaches Ersetzen älterer Generationen nebst einer Leistungssteigerung ist problemlos möglich.

Das einfache Ersetzen älterer Generationen wird durch Pin-zu-Pin-Kompatibilität sichergestellt und ermöglicht eine Leistungssteigerung des Motors ohne großen Entwicklungsaufwand. Nützliche Schutzfunktionen verhindern den Ausfall des Antriebs und erhöhen die Lebensdauer des Gerätes.

Bildergalerie

  • Temperatur über Ausgangsleistung des Umrichters. Erlaubter Temperaturbereich wurde um 25 °C erweitert und führt zu einer gesteigerten Ausgangsleistung von 20 Prozent.

  • Auf einem elektrisch isolierenden Material mit hervorragenden thermischen Eigenschaften zum Abtransport der generierten Wärme befinden sich die Leistungshalbleiter des Small IPM.

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