IGBT-Modulplattform Hohe Zuverlässigkeit von USV-Systemen mit leistungsstarken 3-Level-Wechselrichtern

Autor / Redakteur: Igino Toigo, Clemente Zanettin, Marco Di Lella * / Gerd Kucera

Die 3-Level-Topologie gewinnt bei USV-Systemen an Bedeutung. Erwiesenermaßen hat sie das größte Energieeinsparungspotenzial. Basis der hohen Wechselrichter-Effizienz ist die neue SEMITOP-Modulplattform.

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Moderne technische Anlagen müssen jederzeit reibungslos funktionieren, auch wenn die Versorgung mit qualitativ hochwertigem Strom über das Netz bedingt durch Spannungseinbrüche, Kurzschlüsse oder temporäre Abschaltungen nicht garantiert ist. Elektronische Anlagen, Datenzentren und gebäudetechnische Sicherheits- und Steuersysteme sind auf eine permanente Stromversorgung angewiesen, um Fehlfunktionen oder Systemausfälle zu vermeiden.

Jeder Ausfall wirkt sich negativ auf die Kontinuität der Betriebsabläufe aus; es gehen unter Umständen sensible Informationen verloren, die Aktivität und Profitabilität des Unternehmens kann beeinträchtigt werden. Einen wirkungsvollen Schutz für kritische Anwendungen bieten unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

Der Anspruch an moderne Lösungen ist deshalb, die absolute Funktionsfähigkeit der Lasten durch den ausschließlichen Einsatz von Doppelwandler-USV-Systemen sicherzustellen und die Gesamtbetriebskosten bei gleichzeitig maximaler Effizienz der Stromwandler zu minimieren.

USV-Systeme arbeiten unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen.Ein Standardsystem erfordert beispielsweise eine Umgebungstemperatur zwischen 0 und +40 °C bei bis zu 95% relativer Luftfeuchtigkeit ohne Kondensation und eine Lagertemperatur von -20 bis +70 °C. Nur unter diesen Voraussetzungen kann das System energiesparend und effizient funktionieren.

Standard-USV-Anlagen besitzen einen DC/AC-Wandler, für gewöhnlich einen Dreiphasen-IGBT-Wechselrichter oder einen 3-Level-Wechselrichter. Besonders die 3-Level-Topologie gewinnt im USV-Markt zunehmend an Bedeutung und wird von vielen Kunden bevorzugt, da sie erwiesenermaßen das höchste Energieeinsparungspotential bietet (Bild 1).

Mit der IGBT-Modulplattform SEMITOP erfüllt Semikron die genannten Anforderungen im Leistungsbereich von 5 bis 40 kVA: eine kompakte Lösung ohne Bodenplatte, die mit nur einer Schraube am Kühlkörper befestigt wird. Aufgrund der patentierten SKiiP-Druckkontakttechnologie sind die Module auch langfristig extrem zuverlässig (Bild 2).

Das Prinzip ist einfach: über ein mechanisches Drucksystem wird das Kupfersubstrat (DCB) mit den aufgelöteten und gebondeten Chips auf den Kühlkörper gepresst, wobei auf jegliche Lötung verzichtet wird.

Mit dieser Technik wird eine optimale thermische Verbindung zwischen Modul und Kühlkörper über die gleichmäßige Verteilung des Anpressdrucks sichergestellt; im Vergleich zu Standardmodulen ist eine Reduzierung des Wärmewiderstands um bis zu 30% möglich.

Da das Modul aus nur wenigen Schichten mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebaut ist, ist die gegenseitige mechanische Belastung der Komponenten während Temperaturlastwechseln gering und die langfristige Zuverlässigkeit der Module garantiert. Die Ausfallrate unterbrechungsfreier Stromversorgungssysteme mit solchen Modulen ist niedrig, was sich auch in einem minimalen Wartungsaufwand positiv bemerkbar macht.

Die SEMITOP-Modulplattform eignet sich für 3-Level-Lösungen in USV-Anwendungen mit Leistungen von 5 bis 40 kVA. Ein kompletter Zweig eines 3-Level-Wechselrichters findet bei SEMITOP3- oder SEMITOP4-Plattformen in einem einzigen Gehäuse Platz. Mit nur drei derartigen Modulen lässt sich so ein kompletter dreiphasiger 3-Level-Wechselrichter realisieren. Beide Varianten sind für den Einsatz von 600-V-IGBT mit Nennströmen von 20 bis 150 A geeignet (Bild 3).

SICON-UPS blickt auf 40 Jahre Erfahrung im USV-Anlagenbau zurück. Die Unternehmensgruppe widmet sich ganz der Entwicklung von Lösungen für unterbrechungsfreie Stromversorgungen in kritischen Anwendungen wie IT-Installationen, industriellen Prozessen, Sicherheitsbeleuchtungssystemen und anderen Sicherheitssystemen.

Die neuesten USV-Systeme des Herstellers arbeiten mit der SEMITOP4-Modulplattform. Die Module sind seit inzwischen vier Jahren bei Ausgangsleistungen von 10 bis 40 kVA und einem Leistungsfaktor von 0,9 im Einsatz. Die positiven Ergebnisse der von SICON durchgeführten Tests bestätigen die Vorteile der neuen Topologie: sowohl Testprotokolle als auch thermische Charakterisierungen und Leistungsprüfungen attestieren gleichermaßen ausgezeichnete Produkteigenschaften. Die Vorteile lassen sich in vier Kategorien einteilen: Modulleistung, Minimierung von Dimensionen und Verlusten, Komplexität der Ansteuerung, Wirkungsgrad.

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