Matrix-Umrichter mit SIC-Schaltern Wo endet Leistungsdichte?

Beim Thema Leistungsdichte steht häufig der Leistungshalbleiter als zentrale Komponente im Fokus. Halbleiterhersteller betrachten Leistungsdichte in Form von Stromtragfähigkeit des Chips meist als zweidimensionale Größe in A/cm2. Umrichterhersteller hingegen streben nach kompakteren Aufbauten und haben daher kW/dm3 im Blick. Die Kombination von JFETs auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) mit neuester Treibertechnologie und innovativem thermischen Management in einem Matrix-Umrichter eröffnet eine neue Dimension an Leistungsdichte in der Umrichtertechnik.

Höhere Leistungsdichte führt unweigerlich zu lokalen Temperaturerhöhungen, speziell im Leistungshalbleiter und seiner direkten Umgebung. Für solche Anforderungen eignen sich besonders Leistungshalbleiter aus so genannten Wide-Bandgap-Materialien wie SiC, denn sie lassen sich bei höherer Sperrschichttemperatur betreiben als normale Siliziumbausteine. Um diese höhere Temperatur ausschöpfen zu können, muss auch die Umgebung um den Leistungsschalter gegenüber dieser höheren Temperatur unempfindlich sein. Da unter anderem die DC-Kondensatoren in Umrichtern hier eine Begrenzung darstellen, wurde die Topologie des Matrix-Umrichters gewählt, um dieses Nadelöhr zu eliminieren.

Dieser Direktumrichter besteht aus einer Matrix von bidirektionalen Schaltern. Für einen Demonstrator wurden diese Schalter mit Infineons neuen SiC-JFETs aufgebaut. Ein einzelner bidirektionaler Schalter besteht aus vier Dies. Jeweils zwei davon sind antiseriell geschaltet und haben einen gemeinsamen Drain-Anschluss. Bild 1 zeigt die Schaltung sowie ein Foto des Aufbaus im Modul. Im Bild ist zu erkennen, dass der Aufbau keinen zusätzlichen Platz für Freilaufdioden in Anspruch nimmt, da diese als intrinsische Body-Diode Teil des SiC-Dies sind. Ein einzelner bidirektionaler Schalter besteht daher nur aus zwei statt vier Chips, was die Leistungsdichte weiter erhöht.

Die Parallelschaltung zweier solcher Anordnungen ist notwendig um die gewünschte Stromtragfähigkeit zu erzielen und ermöglich die effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche.

Neue Treiberentwicklung

Da der Matrix-Umrichter aus einer 3x3-Matrix bidirektionaler Schalter aufgebaut ist sind in Summe 18 Gatetreiber notwendig. Infineons kürzlich vorgestellter Zweikanal-Treiber 2ED020I12FA fand hier Verwendung, um die in Bild 2 dargestellte kompakte Treiberbaugruppe zu gestalten. Das mit 36 Pins ausgestattete Gehäuse beinhaltet zwei Treiberkerne mit gemeinsamer Logikseite. Wie in allen ICs der EICE-Treiberfamilie erfolgt die galvanische Trennung mittels Infineons CoreLess-Transformer-Technologie. Durch die hohe Integrationsdichte lässt sich erheblich Platz auf der Leiterplatte einsparen; im Vergleich mit einkanaligen Treibern vom Typ 1ED020I12-F reduziert sich der Platzbedarf für die ICs von 212 mm2 auf 132 mm2.

Eine zusätzliche Konsequenz der gemeinsamen Logikseite ist der geringe Bedarf an diskreten Komponenten auf der Ansteuerseite. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften fand die Ansteuerbaugruppe für die 18 Kanäle auf einer Platine von 60 mm x 120 mm Platz. Die hier verwendete Technologie eignet sich speziell für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen; sie erlaubt eine maximale Sperrschichttemperatur der ICs von 150°C.

Innovatives thermisches Management

Hohe Leistungsdichten resultieren oft daraus, dass Baugruppen auf Flüssigkühlern betrachtet werden, das zusätzliche Volumen von Kühlaggregaten, Pumpen und Lüftern jedoch vernachlässigt wird. Flüssigkühlung kann aber nicht überall zum Einsatz kommen und führt außerdem zu höheren Kosten und vergrößertem Wartungsaufwand. Um den größtmöglichen Gewinn für dieses Projekt zu erzielen, war forcierte Luftkühlung unumgänglich. Die sich ergebenden höheren Kühlkörpertemperaturen stellen für die SiC-Halbleiter kein Problem dar.

Heute finden sich in Anwendungen dieser Größenordnung meist Kühlkörper aus Strangpressprofilen mit stirnseitig montierten Lüftern. Auch an dieser Stelle ergeben sich Möglichkeiten, das Volumen des fertigen Gerätes zu minimieren. Ein spezieller Kupferkühlkörper wurde entworfen und hergestellt. Er ist, wie in Bild 3 sichtbar, mit Lüftern ausgestattet, die bündig mit der Oberkante der Kühlrippen abschließen. Hierdurch lässt sich der umgebende Bauraum minimieren und die Lüfter vergrößern das notwendige Volumen nicht unnötig.

Mit 122 mm x 62 mm x 20 mm hat der Kühlkörper nur ein Volumen von 150 cm3, während ein thermisch vergleichbarer Aluminiumkühler einen umgebenden Quader von 800 cm3 aufweisen würde. Obwohl die applikationsspezifische Lösung achtzig Prozent des Volumens einspart, weist sie bemerkenswerte thermische Eigenschaften auf. Während der Alukühler gemäß Datenblatt einen thermischen Beiwert von 0,1 K/W bis 0,25 K/W aufweist, bringt es die Kupferlösung laut Messung noch auf einen Wert von 0,2 K/W bis 0,3 K/W.

Verkleinerte passive Komponenten

Üblicherweise ist der Leistungshalbleiter nicht die Komponente, die das Volumen des Umrichters bestimmt. Bei genauerer Betrachtung eines solchen Systems zeigt sich, dass vielmehr die Bauelemente in Zwischenkreisanordnungen sowie die Kühlkörper hauptsächlich dafür verantwortlich sind. Um die Regularien der Netzbetreiber erfüllen zu können und die Auflagen bezüglich EMV einzuhalten, sind meist großvolumige LC-Eingangsfilter vorzufinden. Um diese zu minimieren, muss man die Schaltfrequenz erhöhen.

Auch hier spielen SiC-Halbleiter ihre inhärenten Vorteile aus. Der Demonstrator arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz, sodass sich die Bauelemente der Eingangsfilter auf LC-Glieder mit 1 µF und 50 µH reduzieren. Wegen der thermisch angespannten Situation und dem kleinen zur Verfügung stehenden Bauraum sind die Kondensatoren als Hochtemperatur-Keramikkondensatoren in SMD-Bauweise ausgeführt. Der Matrix-Umrichter generiert sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig sinusförmige Stromverläufe und gestattet die Einstellung des Leistungsfaktors, was eine zusätzliche PFC-Stufe überflüssig macht. Typische Stromverläufe für den Netzstrom sind in Bild 4 dargestellt.

Aus diesen Gründen stellt sich mit dem Matrix-Umrichter die Einhaltung der EMV-Richtlinien als weniger kritisch dar. Ziel dieses Projektes war es, für den gesamten Inverter inklusive Kühlsystem eine volumetrische Leistungsdichte von 20 kVA/dm3 zu erreichen. Mit 20 kVA und einem Volumen von weniger als 900 cm3 wurde dieses Ziel nicht nur erreicht sondern sogar übertroffen.

Der Demonstrator, der im Mai 2011 auf der PCIM in Nürnberg präsentiert wurde, ist in Bild 5 zu sehen. Obwohl dieses Projekt das Thema Leistungsdichte auf die Spitze getrieben hat kann man mit Sicherheit davon ausgehen, dass die Werte heutiger Designs von maximal 2 kW/dm3 in den kommenden Jahren einen deutlichen Schub erfahren. Welche Vorzüge bringt dieser Umrichter mit sich? Zuallererst zeigt er auf, dass und wie sich die Ressourcen, die pro installiertes Kilowatt einzusetzen sind, reduzieren lassen. Außerdem profitiert das Design von Einsparungen bei den Eingangsfiltern als Konsequenz der hohen Schaltfrequenz.

Eine Besonderheit der Topologie ist die inhärente Rückspeisefähigkeit der Anordnung. Die sich ergebenden Möglichkeiten führen hin zu der Abwägung, ob mehr Leistung im gleichen Volumen oder gleiche Leistung bei kleinerem Volumen gewünscht ist. Vor allem ebnet eine solche Technologie den Weg hin zur Integration der Umrichtertechnik in Volumina, die bisher ungenutzt waren, weil sie zu klein erschienen.

Der hier gezeigte Umrichter fände beispielsweise im Anschlusskasten eines Normmotors mit 18,5 kW Platz. Solche Überlegungen würden den Entwurf dezentralisierter Systeme erleichtern und erlauben die Nutzung von Leistungselektronik in Umgebungen, die bisher nicht im Fokus standen.