Leistungselektronische Module entlasten den Geräteentwickler bei seiner Arbeit Vorteile durch Integration #####

Leistungselektronische Module, die eine Vielzahl von Leistungsfunktionen effizient und kostengünstig in einem Subsystem zusammenfassen, erleichtern den System-Herstellern die Entwicklung ihrer Geräte zu niedrigeren Kosten bei höherem Wirkungsgrad und helfen gleichzeitig, die Geräte früher auf den Markt zu bringen.

Leistungselektronische Module entlasten den Geräteentwickler bei seiner Arbeit

Leistungselektronische Module, die eine Vielzahl von Leistungsfunktionen effizient und kostengünstig in einem Subsystem zusammenfassen, erleichtern den System-Herstellern die Entwicklung ihrer Geräte zu niedrigeren Kosten bei höherem Wirkungsgrad und helfen gleichzeitig, die Geräte früher auf den Markt zu bringen.

Hersteller von Haushaltsgeräten – der sog. weißen Ware – bewegen sich immer mehr von einer vertikalen Integration hin zu einer verstärkten Konzentration auf ihre eigentlichen Kernkompetenzen, wie Entwicklung der Marke, Kundendienst und Logistik. Die Integration von diskretem Leistungshalbleiter, Ansteuerschaltungen und Controllern in einem Gehäuse erlaubt ihnen, Zeit und Aufwand für das Design zu sparen und gleichzeitig sicherzustellen, dass der Leistungselektronik-Teil ihrer Anwendung zuverlässig funktioniert.

Ein Aspekt, der den Bedarf an neuen Lösungen vorantreibt, ist das Aufkommen weiterer Energiesparinitiativen, die den Einsatz neuartiger Antriebssysteme wie bürstenlosen Gleichstrom-Motoren forcieren. Diese erfordern komplexere Leistungsstufen, verglichen mit traditionellen Universalmotoren, die von Triacs ein- und ausgeschaltet werden. Verschiedene Arten von Geräten, wie Geschirrspüler oder Waschmaschinen, benötigen dabei unterschiedliche Leistungsstufen, sowohl was die Anzahl der Ausgänge als auch was die Ausgangsleistung und die Einschaltdauer betrifft.

Überblick über ein typisches Haushaltsgerät

Üblicherweise wurden bei Haushaltsgeräten Wechselstrom-Motoren eingesetzt, die per Triac ein- und ausgeschaltet wurden – eine sehr kostengünstige Lösung. Energiesparinitiativen zwingen nun die Hersteller weißer Ware dazu, energiesparende Motorlösungen einzusetzen, die komplexere Antriebselektronik sowohl in der Leistungsstufe als auch in der Ansteuerung und Regelung erfordern. Bild 1 zeigt die elektronische Ansteuerung des Antriebs.

Die Eingangsspannung kommt aus dem Wechselstromnetz. Eine Hilfsstromversorgung mit dem Leistungsschalter FSDH0265 (Power Switch) von Fairchild Semiconductor (www.fairchildsemi.com) erzeugt eine Betriebsspannung von 15 V für die Ansteuer-Elektronik. Da üblicherweise keine Isolations-Anforderungen für die Sicherheit dieser Geräte bestehen (die Bedienelemente sind vollständig isoliert), ist die kostengünstigste Lösung für diese Versorgung ein Abwärtswandler (Buck-Converter). Die Spannung von 15 V wird mit einem Linearregler auf 3,3 V für den Mikrocontroller oder DSP heruntergeregelt. Dieser Controller steuert die Schaltvorgänge im Wechselrichter, entsprechend den Informationen vom Bedienteil, die über drei Optokoppler des Typs FOD817 übermittelt werden.

Für den Leistungsteil wird die Eingangsspannung mit einem Brückengleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt. Bei höheren Leistungen kann es notwendig sein, eine Blindleistungskompensation (Leistungsfaktor-Korrektur) einzuführen, wobei hier der Eingangsgleichrichter und die Kompensationsstufe in einem Modul integriert werden können, wie später noch näher erläutert wird. Anschließend treibt ein dreiphasiger Wechselrichter, bestehend aus drei Halbbrückentreibern des Typs FAN7380 sowie sechs diskreten IGBTs, den Motor an. In Waschmaschinen werden üblicherweise asynchrone Motoren mit Vektoransteuerung eingesetzt, während bürstenlose Gleichstrom-Motoren häufig Verwendung in kleineren Motoren für Pumpen und Kompressoren finden. In Staubsaugern kommen oftmals Reluktanz-Motoren („Switched Reluctance“) zum Einsatz. Die unterschiedlichen Leistungspegel dieser Motoren erfordern eine unterschiedliche Dimensionierung der Ausgangsstufen. Darüber hinaus benötigen die Reluktanz-Motoren eine von klassischen Dreiphasen-Wechselrichtern in Brückentopologie abweichende Anordnung der Schalter.

Dieser modulare Ansatz liegt Fairchilds „Power Switch“-Produkten zugrunde. Bei diesen Modulen wird ein PWM-Controller (in einer BCD-Technologie realisiert) mit einem Sense-MOSFET (in HV-Planar-Technologie realisiert) in einem Gehäuse kombiniert. Der Vorteil dieses Ansatzes sind kleinere Gehäuse, ein vollständiges „Avalanche-Rating“ (Verhalten bei Lawinendurchbruch) des Leistungsschalters und die Möglichkeit, eine Stromregelung ohne den sonst erforderlichen externen Fühler-Widerstand implementieren zu können. Der Einsatz von Hilfsstromversorgungen mit den aktiven Elementen in nur einem Gehäuse ist mittlerweile so weit verbreitet, dass Lösungen mit externen diskreten Leistungsschaltern und Steuer-ICs in diesen Consumer-Anwendungen eher ungewöhnlich geworden sind. Es ist zu erwarten, dass sich die gleiche Entwicklung auch für den Leistungsteil von Umrichtern ergibt.

Veränderte Wertschöpfungskette bei System-Herstellern

Industrielle Systeme und Haushaltsgeräte wurden in der Vergangenheit von Herstellern gefertigt, die vertikal integriert waren. Von der Gehäusefertigung über Elektronik-Entwicklung, -Fertigung und Endmontage hinweg wurde alles innerhalb derselben Firma durchgeführt. Analysiert man die Wettbewerbsfähigkeit der Wertschöpfung an verschiedenen Stellen entlang dieser Kette, zeigen sich häufig sehr unterschiedliche Werte. Die Unternehmen konzentrieren sich heute auf die Schritte, die Kernkompetenzen darstellen, und lagern die anderen Schritte aus.

Die für die Auslagerung wichtigste Aktivität ist zweifelsohne die Produktion, insbesondere der elektronischen Steuerung. Dies wird unter anderem durch ein starkes Wachstum bei Auftragsfertigern belegt, insbesondere in Ländern mit niedrigeren Lohnkosten. Ein wichtiges Kriterium für die Entscheidung ist die hierdurch erzielte Wertschöpfung verglichen mit den dadurch gleichzeitig erzeugten Zusatzaufwendungen wie erhöhten Transportkosten. Andere wichtige Faktoren sind sicher auch Risiken wie der Verlust von Know-how, zunehmende Abhängigkeit oder sogar die ungewollte Ertüchtigung eines zukünftigen Wettbewerbers.

Ein anderer Faktor, der den Haushaltsgeräte-Markt zunehmend beeinflusst, ist der beschleunigte technische Fortschritt, der die Firmen zu immer schnelleren Innovationszyklen und Gerätegenerationen zwingt. Neue Technologien und Funktionen kommen in immer kürzerer Zeit auf den Markt, was nicht zuletzt auch den durchschnittlichen Produktlebenszyklus eines Gerätes verkürzt. Die Fertigungskosten eines solchen neuen Gerätes müssen niedrig bleiben, da heutzutage viele neu eingeführte Geräte miteinander konkurrieren und Rabatte bei der Einführung dazu genutzt werden, die Fertigung schnell ins Volumen zu bringen.

Ein Beispiel hierfür sind Geschirrspüler. Frühere Modelle hatten elektromechanische Steuerungen. Um diesen Geräten weitere Funktionen hinzuzufügen, die Endkunden als zusätzlichen Nutzen auffassen, haben die heutigen Geräte immer komplexere elektronische Steuerungen mit Anzeigen und Sensoren, die die Betriebssicherheit des Gerätes erhöhen sowie zur Energie- und Wasser-Einsparung beitragen. Neuartige Stromversorgungen und Antriebe ermöglichen diese Einsparungen, treiben aber die Kosten des Gesamtsystems in die Höhe, und das in einem preisempfindlichen Marktsegment. Daher sind die Entwickler dieser Geräte einem enormen Druck ausgesetzt, kosteneffiziente Lösungen in kürzester Zeit auf den Markt zu bringen.