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Stromversorgung & Leistungselektronik Integrierte Funktion senkt die Kosten

04.11.2015

Frequenzumrichter können heute als Handelsware, als Commodity Product, bezeichnet werden. Alle Frequenzumrichter auf dem Markt erfüllen gemeinsame Minimalanforderungen, sind untereinander relativ einfach austauschbar und erreichen ähnliche hohe Qualitätsstandards. Differenzierungen sind über anwendungsspezifische Antriebe oder die Kosten möglich. Besonders gut lassen sich die Kosten durch die Integration der Stromsensoren in das Modul senken.

Schaut man heute auf die Stückliste eines Frequenzumrichters im mittleren Leistungsbereich, zum Beispiel von 75 bis 160 kW, so stellt man fest, dass die Stromsensoren und deren Versorgung und Anbindung einen großen Teil der Materialkosten ausmachen. Neben den reinen Stückkosten, die stark vom messbaren Strombereich und der erforderlichen Signal-Bandbreite abhängen, ist auch entsprechender Bauraum im System vorzusehen. Die Stromsensoren müssen eingebaut und verkabelt werden, was wiederum die Montage- und Prozesskosten beeinflusst.

Hier setzt das neue Modul Semix 3 Press-Fit von Semikron mit integrierten Shunt-Widerständen an. Bei der Semix-Familie handelt es sich um IGBT-Halbbrücken und Chopper-Module von 600 bis 1.700 V mit IGBT-Nennströmen bis 600 A und einer Bauhöhe von 17 mm. Zusammen mit den Semix-Brückengleichrichtern bis 500 A Nennstrom stellen sie ein perfekt in Bauhöhe und Performance abgestimmtes Antriebspaket dar.

Variante mit Shunt-Widerständen

Das Semix 3 Press-Fit ist eine spezielle Variante der Semix-Halbbrücke in 1.200 und 1.700 V und mit Nennströmen von 300 bis 600 A. Es unterscheidet sich vom bisherigen Semix-Portfolio durch die Verwendung von Press-Fit-Einpressstiften für die Hilfsanschlüsse. Durch den optionalen Einsatz von Shunt-Widerständen im AC-Pfad des Moduls, bietet der Semix 3 Press-Fit Shunt eine zusätzliche Integrationsmöglichkeit. Das stellt besonders für Frequenzumrichter in der industriellen Antriebstechnik eine entscheidende Differenzierung zu den marktüblichen Modellen dar.

Kompakter ohne externe Stromsensoren

Durch die Verlagerung der Strommessung in das Modul fallen die externen Stromsensoren weg, das System kann somit kompakter gebaut werden. Der Anschluss der Sensoren erfolgt über zusätzliche Press-Fit-Kontakte und somit automatisch bei der Montage der Treiberplatine. Der integrierte Shunt-Widerstand besitzt den Vorteil einer geringen Temperaturabhängigkeit und hohen Linearität und ist perfekt geeignet als Feedback-Signal für anspruchsvolle Regelungsaufgaben. Aufgrund der geringen Größe der Widerstände, können sie platzneutral in das Modul eingebracht werden. Das Modul bleibt somit voll kompatibel zur Standard-Version des Semix 3 Press-Fit, egal ob mit oder ohne Shunt-Widerstand. Es geht keine Chipfläche verloren und damit bleibt auch der Nennstrom des Moduls gleich. Shunt-Widerstände sind widerstandsfähiger gegen Überströme, während insbesondere stromkompensierte Sensoren eine limitierte Überlastfähigkeit besitzen oder ihre Linearität verlieren. Nicht zu vergessen ist auch die Reduzierung der Ausfallrate, da ein einfacher Shunt-Widerstand, der über zuverlässige Press-Fit-Kontakte angeschlossen wird, eine hoch-komplexe Baugruppe, die mit zwei mehrpoligen Steckverbindern verkabelt ist, ersetzt.

Die Integration der Strommessung in das Leistungsmodul bringt auch Herausforderungen mit sich: Aus dem galvanisch getrennten Niederspannungs-Ausgangssignal des Stromwandlers wird nun eine Spannung auf Zwischenkreispotenzial. Sie muss isoliert und digitalisiert werden, bevor der übergeordnete Regler sie weiter verarbeiten kann. Diese Aufgabe übernimmt der Treiber Skyper 12 Press-Fit Pro, einer Erweiterung der Skyper-Treiberserie. Dieser Plug-and-Play-Treiber auf ASIC-Basis bietet neben einer optimierten und sicheren Ansteuerung innerhalb des erlaubten Betriebsbereichs (Safe Operating Area, SOA), auch eine galvanisch getrennte Auswertung (reinforced insulation) der Shunt-Signale, der Zwischenkreisspannung und des im Modul integrierten Temperatursensors.

20 Prozent erhöhte Lebensdauer

Durch die Integration der erforderlichen Spannungsquellen und des Signal- und Fehlermanagements in zwei digitale ASICs wird die Anzahl der Einzelkomponenten im Treiber um etwa 30 Prozent reduziert. Dies erhöht die Lebensdauer in Abhängigkeit des Lastprofils bis zu 20 Prozent. Die beiden rein digitalen ASICs arbeiten je einer auf Hoch- und Niederspannungsseite. In ihnen kommen keine analogen Filterbausteine zum Einsatz. Das wirkt sich positiv auf die absoluten Signallaufzeiten und auf den zeitlichen Versatz der Signale aus. Er beträgt weniger als 30 ns. Die Verbindung zum übergeordneten Controller läuft über ein differenzielles Signal und eine serielle Schnittstelle im UART-Standard. Das erhöht die Fehlertoleranz und macht das Signal robuster gegen EMV-Störungen. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz dieses Modul-Treiber-Pakets ist die Verkürzung der Entwicklungszeit. Durch die exakte Abstimmung des Skyper 12 Press-Fit Pro auf den Semix 3 Press-Fit Shunt können Design-Schleifen vermieden und System-Entwicklungen in kürzester Zeit abgeschlossen werden. Auch bei der Fertigung des Umrichters reicht ein Prozessschritt, das Einpressen des Treibers in die Press-Fit-Stifte, um die gesamte Ansteuerelektronik mit Spannungs-, Strom- Temperatur-Auswertung zu montieren. Der Umrichter besitzt nur noch eine Schnittstelle und keine Erfassungsplatinen mehr und bietet damit niedrigste Kosten bei gesteigerter Qualität.

Finale Integration durch Wärmeleitmaterial

Die letzte Stufe der Integration stellt das voraufgetragene Phase-Change-Material (PCM) dar. Dieses, bei Raumtemperatur feste Material, bietet einen optimalen Wärmeübergang vom Modul zum Kühlkörper. Aufgebracht wird es in einem geregelten Siebdruckverfahren. Das garantiert zum einen ein perfekt auf die Modulbodenplatte abgestimmtes Druckmuster mit optimaler Verteilung des PCM, zum anderen auch die größtmögliche Prozesssicherheit im Druckprozess. Durch die feste Konsistenz des Phase Changers bei Raumtemperatur ergeben sich, im Vergleich zu viskosen Wärmeleitpasten, Vorteile im Handling. Ein Verschmieren des thermischen Interfacematerials im Fertigungsprozess ist nicht mehr möglich. Hinzu kommt ein um 10 Prozent geringerer Wärmewiderstand. Er führt entweder zu einer niedrigeren Sperrschichttemperatur während des Betriebes und damit zu einer längeren Lebensdauer des Moduls, oder aber zu einer entsprechenden Erhöhung des Ausgangsstroms und somit einer höheren Leistungsdichte.

Bildergalerie

  • Semix 3 Press-Fit Shunt mit Integration nach Wahl: Integrierte Strommessung, Plug-and-Play-Treiber, voraufgetragenes Phase-Change-Material

    Bild: Semikron

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