Leistungsmodule Effizienter pumpen

Die Effizienz gilt als das wichtigste Kriterium zum Bewerten von Hydraulikpumpen, denn nach Schätzungen ließen sich bis zu 80% der 50 TWh einsparen, die jährlich von solchen Systemen verbraucht werden. Die Forderung nach höherer Effizienz führte zu ausgefeilten neuen Topologien und Regelungstechniken beim Pumpenantrieb. Diese Lösungen gehen mit neuen Ansätzen in der Leistungselektronik einher.

Umwälzpumpen mit einer Hydraulikleistung unter 2500 W sind weltweit in Millionen von Haushalten und Büros im Einsatz, hauptsächlich in Zentralheizungen und der Wasserversorgung. Daher haben sie kumuliert einen erheblichen Anteil am weltweiten Elektrizitätsverbrauch und damit auch am Verbrauch fossiler Brennstoffe. Laut Schätzungen verbrauchen diese Pumpen jährlich rund 50 TWh.

Deshalb sieht die Europäische Union ein großes Potenzial zur Energieeinsparung durch Verbesserungen im Wirkungsgrad dieses weit verbreiteten Pumpentyps. Daher verlangt die EU-Richtlinie 2005/32/EC aus dem Jahr 2009 von den Pumpenherstellern bis 2013 einen Energieeffizienzindex (EEI) von unter 0,27 und bis 2015 von 0,23 Der Einsatz fortschrittlicher elektronischer Regelungen, die gegenüber herkömmlichen Ansteuerungen Energieeinsparungen bis zu 80% erzielen, hilft Pumpenherstellern bei der Umsetzung dieser Ziele.

Entwickler von Hydrauliksystemen müssen daher eine Pumpe auswählen, die den höchsten Wirkungsgrad bei Volllast erreicht. Daraus folgt, dass die Pumpe bei niedrigeren Lasten im Allgemeinen weniger effizient arbeitet. Daher kamen bislang meist asynchrone Wechselstrom-Induktionsmotoren mit regelbarer Drehzahl zum Einsatz. Dieser nach wie vor weit verbreitete Motortyp ist jedoch sehr viel weniger effizient als moderne Synchronmotoren mit Permanentmagneten (Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM). Dieser Motortyp wird häufig auch als elektronisch kommutierter Motor bezeichnet, denn er benötigt eine komplexe Steuerung, um den Strom in den Statorwicklungen an die Position der Rotormagnete so anzupassen, dass ein maximales Drehmoment erreicht wird. Da ein PMSM gewöhnlich mit höheren Drehzahlen arbeiten kann als ein herkömmlicher AC-Induktionsmotor, reichen bei einer gegebenen hydraulischen Last kleinere Pumpen aus.

Bild 1 zeigt die typische Topologie der Leistungsstufe eines PMSM. Der Motor wird über einen Gleichrichter am Eingang und einen dreiphasigen Umrichter gespeist. Die Algorithmen für die Kommutierung laufen gewöhnlich auf einem DSP oder einem Mikrocontroller. Anwendungsspezifische Standardkomponenten für die Motorsteuerung sind bei Herstellern wie Fairchild Semiconductor erhältlich. Lieferanten von DSPs und MCUs für die Motorsteuerung, zum Beispiel STMicroelectronics und Freescale, bieten Softwarebibliotheken mit Bausteinen für die Kommutierung an. Der Einsatz dieses Codes vereinfacht die Entwicklung eines Motorsteuerungssystems ganz erheblich. Die Steuereinheit eines PMSM sollte außerdem leistungsfähig genug sein, um einen Algorithmus auszuführen, der die Motordrehzahl automatisch an Änderungen der hydraulischen Last anpasst, um bei allen Lastverhältnissen eine maximale Effizienz zu erreichen.

Eine neue Generation von IPMs

Kern eines fortschrittlichen PMSM ist seine Steuereinheit mit der darauf laufenden Regelungssoftware. Dieser Teil beansprucht bei weitem den größten Teil des Entwicklungsaufwands beim Hersteller, da er der Schlüssel zur Umsetzung von Richtlinien wie der 2005/EC/32 ist. 
Trotzdem ist auch die Stromversorgung eines PMSM (siehe Bild 1) eine komplexe Schaltung, die aus vielen einzelnen Komponenten besteht. Zudem muss diese Schaltung zuverlässig, robust und kompakt sein und gleichzeitig enge Preisvorgaben erfüllen.

Eine solche Schaltung zu entwickeln erfordert ebenfalls viel Zeit und Aufwand. Daher haben Halbleiterhersteller wie STMicroelectronics (ST), Fairchild und International Rectifier (IR) Leistungsmodule von der Stange für Pumpenmotoren vorgestellt. Diese »intelligenten« Leistungsmodule (Intelligent Power Modules, IPMs) fassen gewöhnlich die folgenden Funktionsblöcke in einem Baustein zusammen (Bild 2): 

  • eine Leistungsstufe aus sechs IGBTs oder MOSFETs und sechs Freilaufdioden, 
  • eine Treiberschaltung aus drei Hochspannungs-Gate-Treibern mit Gate-Widerständen und Bootstrap-Dioden sowie 
  • Schutzschaltungen (für Überspannung, Unterspannung, Überstrom und Übertemperatur) sowie zusätzliche Funktionen, zum Beispiel Strommessung und Standzeit. 

Das in Bild 2 gezeigte »SLLIMM-nano«-IPM von STMicroelectronics ist für Anwendungen bis 100 W geeignet. Tatsächlich werden die meisten Anwendungen für Umwälzpumpen im Bereich von 50 W bis 150 W spezifiziert. Dies ist auch die Vorgabe für die IPM anderer Hersteller, beispielsweise Fairchild und IR, die IPM mit einem Integrationsgrad anbieten, der mit den SLLIMM-nano-Komponenten vergleichbar ist: bei Fairchild ist dies die Serie »Motion SPM 5« und bei IR sind es die integrierten Leistungsmodule der Reihe »µIPM« (siehe Tabellen 1 bis 3).

Teilenummer Durchbruchspannung/V Strom/A UCD(sat)/bei TJ=+125 °C Schaltfrequenz/kHzIsolationsspannung/VBootstrap-DiodeSchutzbeschaltung 
STGIPN3H60 600 1,65 20 1000 Ja UVLO, Sperrfunktion, Smart-Shutdown, Komparator, Operationsverstärker 
STGIPN3H60-H60031,65201000JaUVLO, Sperrfunktion, Smart-Shutdown, Komparator, Operationsverstärker
STGIPN3H60A 600 1,65 20 1000 Ja UVLO, Sperrfunktion 
Tabelle 1: IGBT-basierende IPM-Serie »SLLIMM-nano« von STMicroelectronics
Teilenummer Durchbruchspannung/V Strom/A RDS(on)/Ω bei +25 °C Schaltfrequenz/kHz Isolationsspannung/VBootstrap-DiodeSchutzbeschaltung
FSB50250 500 1,2 3,8 20 1500JaUVLO, Temperatur
FSB504505001,52,4201500JaUVLO, Temperatur
FSB505505002,01,4201500JaUVLO, Temperatur
FSB50325 250 1,7 1,720 1500JaUVLO, Temperatur
Tabelle 2: MOSFET-basierende IPM-Serie »Motion SPM 5« von Fairchild Semiconductor
Teilenummer Durchbruchspannung/V Strom/A RDS(on)Ω bei +25 °C Schaltfrequenz/kHz Isolationsspannung/VBootstrap-DiodeSchutzbeschaltung
IRSM836-044MA2504,01,05201500JaUVLO, Überstrom
IRSM836-024MA 2502,0 2,20 201500JaUVLO, Überstrom
IRSM836-045MA5004,01,70201500JaUVLO, Überstrom
IRSM836-035MA5003,02,20201500JaUVLO, Überstrom
IRSM836-035MB5003,02,20201500JaUVLO, Überstrom
IRSM836-025MA 5002,04,0 201500JaUVLO, Überstrom
Tabelle 3: MOSFET-basierende IPM-Serie »µIPM« von International Rectifier

Auf den ersten Blick sehen diese Komponenten alle recht ähnlich aus. Tatsächlich gibt es jedoch erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen IPMs, die dem Hersteller der Pumpe wertvolle Auswahlmöglichkeiten geben. Der Anwender kann unter den Modulen vor allem nach den folgenden Kriterien auswählen: Spannungstoleranz, Größe und autonome Schutzfunktionen.

Kein Kühlkörper erforderlich

Wie die Tabellen zeigen, arbeiten die Module von Fairchild und IR mit MOSFETs als Schaltelement, während beim SLLIMM-nano von ST ein IGBT eingesetzt wird. Dadurch haben die SLLIMM-nano-Module eine höhere Spannungsfestigkeit von 600 V. Das gibt dem Entwickler die Gewähr, dass die Pumpe Überspannungen ohne Ausfall übersteht. Auf der anderen Seite haben sie eine niedrigere Isolationsspannung von 1000 V im Vergleich zu den 1500 V der Serie SPM 5 und der µIPM-Module.

Die Module unterscheiden sich außerdem sehr deutlich in ihrer Größe auf der Systemebene. Die µIPM-Komponenten von IR werden in einem PQFN-Gehäuse geliefert, das nur 12 mm x 12 mm groß ist. Dies ist bereits recht klein, stellt jedoch noch nicht die größte Platz-ersparnis dar. Tatsächlich bietet die Bauform QFN eine sehr gute thermische Leistung, und daher können die µIPM-Module Motoren bis etwa 100 W ohne externen Kühlkörper versorgen (Bild 3); gleiches gilt laut STMicroelectronics für die SLLIMM-nano-Module. In kompakten Pumpen ist der Wegfall dieses sperrigen Teils ein erheblicher Vorteil gegenüber Bauformen, bei denen oben auf dem Modul ein Kühlkörper angebracht werden muss.

Wie die Tabelle zeigt, enthalten alle IPMs eine Reihe von Schutzeinrichtungen, die für einen zuverlässigen Betrieb unverzichtbar sind. Es gibt jedoch Unterschiede bei der Implementierung dieser Schutzfunktionen. Bei den SLLIMM-nano und den µIPM-Modulen sind die Schutzfunktionen unabhängig vom Controller (z.B. MCU oder DSP) implementiert und können sich bei Bedarf abschalten. Die Fairchild-Serie SPM 5 benötigt hingegen einen externen Operationsverstärker, um das Rückmeldesignal für den Controller zu liefern. Bei dieser Serie ist außerdem ein Operationsverstärker für die thermische Überwachung und den Schutz erforderlich.

STMicroelectronics verfolgt bei dieser Funktion in ihrem »STGIPN3H60« einen anderen Ansatz. Bei ihrem »Smart Shut-down«-Feature übernimmt ein interner Fehlerkomparator die Überwachung für Überstrom, Kurzschluss und Übertemperatur. Wenn ein Fehler auftritt, wird die Komponente abgeschaltet und ein Fehlersignal zum Controller gesendet. Dies bewirkt eine unverzügliche Abschaltung, ohne die Verzögerung durch das Cycling im Prozessorkern des Controllers.

Über den Autor:

Piotr Pupar ist Regional Technical Director für Osteuropa bei Future Electronics.