Startseite > Automotive > Elektromobilität > Lösungen für Design und Test von Invertern in HEVs

Zuverlässigkeit sicherstellen

Lösungen für Design und Test von Invertern in HEVs

10. April 2018, 14:38 Uhr | Von Giacomo Tuveri

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Kommende Lösungen

Ob steilere Schaltflanken bei SiC- und GaN-Leistungshalbleitern, elektromagnetische Störungen, Geräte, die Strom liefern und aufnehmen oder Sicherheitsabschalteinrichtungen – zukünftige Lösungen müssen besondere Anforderungen erfüllen.

Hochfrequenzfähige Modelle/Simulation

Weil die Schaltflanken von WBG-Bauteilen steiler sind als bei herkömmlichen Bauteilen – die Anstiegs- und Abfallzeiten liegen < 10 ns – und somit höhere Frequenzen enthalten, benötigt man hochfrequenzfähige Modelle und Simulatoren, um das Verhalten dieser Leistungshalbleiter genau nachzubilden. Man muss auch elektromagnetische Störungen simulieren, um zu verstehen, in welchem Maße ein Inverter Störstrahlung und/oder Störspannung produziert. Weiterhin gilt es, die physische Anordnung der Bauteile des Inverters auf der Leiterplatte sowie Parasitäreffekte durch die Bauform der Halbleitergehäuse und durch das Leiterplattenmaterial zu berücksichtigen. Nachdem die Temperatur auf den Betrieb eines Inverters eine erhebliche Auswirkung hat, ist eine thermische Simulation und Analyse entscheidend für die Bemessung der Kühlsystems.

Jobangebote+ passend zum Thema

Regional Key Account (m/w/d) für Elektronische Bauteile

KOA Europe GmbH, Dägeling

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Rohm Semiconductor benutzt die Advanced Design System Software (ADS) von Keysight Technologies, um seine Inverter-Designs zu simulieren. Das Unternehmen arbeitet mit einem empirisch/mathematischen Modell, das auch die Hochfrequenzcharakteristik umfasst, sprich die Messung von S-Parametern für „Null Bias“ und den Ein-Zustand des Schalttransistormodells. Mit dieser Kombination konnte ein wesentlich besseres Simulationsergebnis erzielt werden, das mit den Messwerten der realen Welt deutlich besser übereinstimmte (Bild 4).

Integrierte 2-Quadranten-Stromversorgung mit Energierückgewinnung

Einige Hersteller bringen Lösungen auf den Markt, die als Einzelgerät sowohl Strom liefern als auch aufnehmen können. Solche Geräte können nahtlos zwischen Stromlieferung (erster Quadrant) und Stromverbrauch (zweiter Quadrant) hin- und herschalten, ohne dass es dafür externer Beschaltung oder einer synchronen Programmierung zweier separater Geräte bedarf – nämlich einer Stromversorgung und einer elektronischen Last (Bild 5).

Die integrierte Bauweise ermöglicht ein glattes Ausgangssignal, das den Wechsel eines bidirektionalen Inverters zwischen den beiden Stromrichtungen nahtlos simuliert.

Wenn die Stromversorgung Leistung an den Inverter liefert, wird je nach Wirkungsgrad der größte Teil der Leistung an die Last weitergegeben. Wenn aber der Inverter Leistung an die Stromversorgung liefert, muss diese die Leistung aufnehmen können. Die meisten 2-Quadranten-Stromversorgungen (oder elektronische Lasten) wandeln diese Leistung in Wärme um. Inverter bis etwa 4 kW brauchen daher geräumige Gehäuse mit Lüftern. Entsprechend wird auch das Testsystem größer und es ist eine leistungsfähige Klimaanlage notwendig, um die Wärme aus der Halle zu befördern. Einige 2-Quadranten-Stromversorgungen und elektronische Lasten für Leistungen ab etwa 5 kW speisen die aufgenommene Leistung ins Wechselstromnetz zurück (Bild 5). Zwar arbeitet diese Technik nicht verlustlos, aber die meisten Designs speisen immerhin etwa 90 Prozent der Energie ins Netz zurück. Damit muss ein Gerät „nur“ noch etwa zehn Prozent der Aufnahmeleistung in Wärme wandeln. Damit gehen eine erhebliche Reduktion der Baugröße und geringere Ansprüche an das Wärmemanagement einher.

Eine wichtige Frage bei Lösungen mit Energierückgewinnung: „Wie sauber ist die Energie, die ins Wechselstromnetz zurückgespeist wird?“ In der Produktion multipliziert sich jede Verzerrung der rückgespeisten Leistung mit der Zahl der betriebenen Testsysteme. Eine so genannte schmutzige Netzversorgung kann in der Produktion für sporadische Probleme sorgen. Um dieses Problem zu mindern, das durch schlechte Energierückgewinnung hervorgerufen wird, braucht man für jedes Testsystem einen Isolationstransformator. Es ist zu empfehlen, mit dem Hersteller des jeweiligen Produkts Kontakt aufzunehmen, um sicherzustellen, dass nur Leistung mit niedriger Verzerrung ins Wechselstromnetz rückgespeist wird (Bild 6).

Sicherheit

Sicherheitsabschalteinrichtungen werden typischerweise kundenspezifisch für jede Anwendung entwickelt. Sie brauchen oft eine Menge Platz und sind handverdrahtet. Viele Funktionen sind von Anwendung zu Anwendung die gleichen. Daher spart es Entwicklungszeit und Kosten, wenn eine fertige, kommerziell vertriebene Sicherheitsabschalteinrichtung zum Einsatz kommt, die 80 Prozent der erforderlichen Funktionen in einer kleinen Baugröße bereitstellt.
Die wesentlichen Merkmale von Sicherheitsabschalteinrichtungen sind:

Redundante galvanische Trennung, die beide Ausgänge der Hochvoltversorgung im Testsystem unterbrechen.
Separate Erfassung der Stellung der Trennrelais, zum Beispiel über mechanisch gekoppelte Zusatzkontakte
Not-Aus-Schalter, der die Trennrelais öffnet, wenn der Bediener einen Notfall erkennt.
Schutzschalter an den Abdeckungen, die sicherstellen, dass keine Hochspannung anliegt, wenn ein Bediener einen Inverter wechselt.
Ableitwiderstände, die die Hochspannung an den äußeren Anschlüssen des Inverters ableiten.
Passende Lichtsignale, die sichere und gefährliche Zustände anzeigen

Die 2-Quadranten-Stromversorgung, die Stromversorgung oder die elek¬tronische Last können zusätzlich mit folgenden Sicherheitsmerkmalen die Sicherheit eines Testsystems weiter verbessern:

Überspannungsschutz
Überstromschutz
Übertemperaturschutz
Erkennung eines offenen Ausgangs
Schnelle Abschaltzeiten von Halbleiterschaltern (< 5µs)
Schnelle Abschaltung per Programm (< 2 ms)
Watchdog-Timer

Damit diese Sicherheitsmaßnahmen in der Stromversorgung voll wirksam werden, sollte dafür gesorgt werden, dass die Sicherheitsabschalteinrichtung darüber informiert wird, wenn ein Alarmsignal erkannt wurde. Die Kombination aus einer kommerziellen Sicherheitsabschalteinrichtung und einem gut konstruierten Stromversorgungs-/Last-System sorgt mit minimalem Kostenaufwand für die nötigeSicherheit.

Link
[1] Planung für Ladestationen in China 2016-2020; 7. Februar 2016, 23:04 ET
von ReportsnReports.

Der Autor

Giacomo Tuveri

studierte Elektrotechnik an der Universität von Cagliari.2014 trat er bei Agilent als Distribution Field Engineer ein, nachdem er zuvor vier Jahre bei Teledyne LeCroy als Distribution Manager tätig war. Derzeit arbeitet Tuveri als Marketing Industry Manager für den Bereiche Automotive- und Energy bei Keysight.