Power Devices für fünf wichtige Anwendungsbereiche

| Redakteur: Gerd Kucera

Bild 1: Bei der siebten Generation der IGBTs für elektrische Antriebstechnik ist die Chip-Größe und Sättigungsspannung deutlich reduziert worden.
Bild 1: Bei der siebten Generation der IGBTs für elektrische Antriebstechnik ist die Chip-Größe und Sättigungsspannung deutlich reduziert worden. (Bild: Tilman Weishart)

Antriebe, Automatisierung, Elektromobilität, Stromversorgungen, Photovoltaik und Windenergie kommen ohne IGBT und MOSFETS nicht aus. SEMIKRON stellte einige Anwendungen auf der PCIM vor.

Von gut 35 Millionen in Deutschland betriebenen Drehstrommotoren sind nur etwa 15% elektronisch geregelt. Die Anstrengungen konzentrieren sich darauf, den Energieverbrauch jener Antriebe zu senken, die häufig im Teillastbetrieb laufen (Pumpen-, Verdichter-, Kompressor- oder Lüfterantriebe) und deren Belastung über die Drehzahl beeinflusst werden kann. Erfolgt eine Regelung der Volumenströme mittels Drehzahlregelung über Frequenzumrichter sehen Experten, kombiniert mit dem Austausch älterer Motoren, allein hier ein Einsparpotenzial, das der Stromerzeugung von vier bis fünf konventionellen Kraftwerken mittlerer Leistung entspricht. Die industrielle Antriebstechnik ist damit ein bedeutendes Einsatzgebiet moderner Leistungshalbleiter.

Siebte IGBT-Generation für elektrische Antriebstechnik

Mit den optimierten 1200-V-IGBTs der siebten Generation hat SEMIKRON sein Modulangebot für Anwendungen der elektrischen Antriebstechnik erweitert. Eine deutliche Reduzierung in Chip-Fläche und Sättigungsspannung führt diese neue Halbleiter-Generation in den bestehenden Modulplattformen an.

Als der Standard für Drives-Anwendungen im unteren und mittleren Leistungsbereich sieht der Nürnberger Hersteller das Modul MiniSKiiP als erstes Produkt mit der neuen IGBT-7-Technologie. Mit seinen Federkontakten und dem simplen Konzept zur Leiterplattenmontage ist der MiniSKiiP eine Bausteinvariante für kompakte Frequenzumrichter und hohe Produktionsvolumen.

In der CIB-Konfiguration (Converter-Inverter-Brake) erlaubt der Einsatz des IGBT 7 eine Erhöhung des Nominalstroms von 35 auf nun 50 A, während in den Sixpack-Konfigurationen der maximale Nennstrom von 150 auf 200 A vergrößert ist, was eine Steigerung der Leistungsdichte um 20% bedeutet.

Im nächsten Technologie-Schritt werden auch weitere Modulplattformen wie SEMiX, SEMITRANS und SEMITOP E1/E2 mit der neuesten IGBT-Generation ausgestattet werden. Wesentliche Produktspezifikation der optimierten IGBTs für Motor-Drive-Anwendungen sind : reduzierte Sättigungsspannung und Chip-Fläche, bis zu 20% mehr Modul-Ausgangsleistung. Die als MiniSKiiP erhältlichen Module gibt es für Ströme von 10 bis 400 A.

Bis zu 180 kW für PV-String-Wechselrichter

Das bestehende Produktspektrum an 3-Level-Modulen ist um das MiniSKiiP Dual Split MLI erweitert worden. Dieses neue Modul ermöglicht einen Nominalstrom von 400 A mit 1200-V- und 950-V-IGBTs und bietet optional SiC-Schottky-Dioden im Neutralpfad für verbesserten Wirkungsgrad. Entwickelt wurde das Modul für bodenplattenlose Wechselrichter-Designs zur direkten Leiterplatten-Montage und liefert eine Ausgangsleistung von bis zu 180 kW für 1500-VDC-Photovoltaiksysteme. Die Hauptmerkmale des MiniSKiiP Dual mit seinen SPRiNG-Kontakten sind nach Herstellerangaben die niederinduktive Zwischenkreisankopplung, einfache Treiberintegration sowie die parallelen AC-Leistungskontakte.

Eine 3-Level Topologie für die Windenergie

In Neuentwicklungen für Windkraftanlagen steht der Hauptfokus in der Reduzierung der Energiegewinnungskosten sowie der Erhöhung der Ausgangsleistung. Um diese Ziele zu erreichen ist der Einsatz neuer Technologien unumgänglich. Eine Lösung ist laut SEMIKRON die Erhöhung der Spannung auf 1000VAC (1500VDC), die noch durch die Niederspannungsrichtlinie abgedeckt ist. Das SEMITRANS 10 MLI ist dazu ein 3-Level- Modul, das die Anforderungen für Windkraft-Umrichter erfüllt.

Bild 2: Die Serie der 3-Level Module ist um das MiniSKiiP Dual Split MLI 
erweitert worden (400 A Nominalstrom mit 1200-V- und 950-V-IGBTs).
Bild 2: Die Serie der 3-Level Module ist um das MiniSKiiP Dual Split MLI 
erweitert worden (400 A Nominalstrom mit 1200-V- und 950-V-IGBTs). (Bild: SEMIKRON)

Die Nutzung der 3-Level-Technologie hilft Halbleiterverluste um bis zu 50% sowie die Filterverluste um bis zu 30% zu reduzieren. Zusätzlich lassen sich durch die erhöhte Ausgangsspannung die Kabelverluste bzw. Kabelquerschnitte um bis zu 30% reduzieren. Die Modulkosten seien neutral zu 2-Level-Topologien. Ein höherer Wirkungsgrad stellt sich wie erwähnt durch reduzierte Halbleiterverluste, Filterverluste und Kabelverluste ein. Zudem sinken Filterkosten, Verkabelungskosten sowie Kosten durch reduzierten Kühlaufwand und kleinere EMV-Filter.

Eine 50-kW-Power-Zelle für EV-Ladestationen

Eine der Grundvoraussetzungen für den breiten Einsatz der Elektromobilität ist der Zugang zu einer gut ausgebauten Ladeinfrastruktur. Regierungen und Industrien weltweit bereiten aktuell die Investitionen in diese Infrastruktur vor. Die kritischen Punkte in solchen Produktentscheidungen sind Kosten, Ladeleistung sowie die Zuverlässigkeit der Systeme.

Für diesen Anwendungsbereich haben die Nürnberger ihr Produktportfolio angepasst, das nun alle Anforderungen an Ladestationen erfüllt – für solche mit kleinen Leistungen ab 22 kW bis zu Hochleistungsladestationen bis 450 kW; sie nutzen Technologien wie Siliziumkarbid und 3-Level-Topologien.

Bild 3: SEMITRANS 10 MLI ist ein 3-Level-Modul mit erhöhtem Wirkungsgrad für Windenergie-Anlagen.
Bild 3: SEMITRANS 10 MLI ist ein 3-Level-Modul mit erhöhtem Wirkungsgrad für Windenergie-Anlagen. (Bild: SEMIKRON)

Die aktuell neue 50-kW-Power-Zelle ist eine einbaufertige Lösung für DC-Ladestationen mit einer skalierbaren Leistung bis zu 350 kW. Sie beinhaltet einen aktiven 3-phasigen Gleichrichter sowie einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler für Ausgangsspannungen von 500VDC und 1000VDC. Zusätzlich sind alle Filter sowie die Steuerung mit der Schnittstelle zum Lade-Controller integriert.

Produktspezifikation im Überblick: 50 kW Ausgangsleistung, AC-Eingang 400 V ±10%, 500 VDC oder1000VDC Ausgangsspannung, fsw = 40 kHz, PF >0.98, Wirkungsgrad >94%, skalierbar bis 350 kW, 3-Level-PFC-Topologie mit nur sechs anstatt zwölf Treiberkanälen, effiziente 650-V-IGBT-Technologie durch zweigeteiltem Zwischenkreis, HF-Transformator für sichere galvanische Trennung, Taktfrequenz 40 kHz für bestmögliche Leistung, integrierte Vorladeeinrichtung.

Die dritte Generation SKAI 3 LV für Batteriefahrzeuge

Neben der Forderung nach Robustheit und hoher Energieeffizienz gibt es einen aus Kostenaspekten getriebenen Wunsch nach Standardisierung bei den Umrichtern. Mittels einer Plattformstrategie, bei der gleiche oder skalierbare Gehäuseformen für unterschiedliche Anwendungen oder Leistungsbereiche eingesetzt werden, lassen sich Umrichter für unterschiedliche Ansprüche konfigurieren.

Bild 4: Die dritte Generation der MOSFET-Umrichter SKAI 3 LV hat ein verbessertes Plattformkonzept für Standard-Anwendungen und spezifische Anpassungen.
Bild 4: Die dritte Generation der MOSFET-Umrichter SKAI 3 LV hat ein verbessertes Plattformkonzept für Standard-Anwendungen und spezifische Anpassungen. (Bild: SEMIKRON)

Der SKAI 3 LV ist als dritte Generation von MOSFET-Umrichtern für Materialtransport und batteriebetriebene Fahrzeuge mit mehr als 1,5 Millionen Systemen weltweit im Einsatz. Diese dritte Generation besitzt ein verbessertes Plattformkonzept für Standard-Anwendungen sowie spezifische Anpassungsfähigkeit an Kundenbedürfnisse. Der Umrichter lässt sich einfach an die Controller-Platine integrieren; der Anwender behält die volle Kontrolle über Steuerung und Software.

Produktspezifikation: simple Gate-Treiber-Schnittstelle, integrierte Spannungs- und Strom- sowie Temperatursensoren, Gate-Treiber mit Schutzfunktionen, niederinduktives und verlustarmes Leistungsteil, Zwischenkreiskondensatoren, Luft- oder Plattenkühlung, Plattform für kundenspezifische Entwicklungen. Es lässt sich ein kundeneigener Controller in das IP66-Gehäuse integrieren (ein Design-in Kit ist verfügbar).

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