Kondensatoren und Filter für E-Mobility Referenzdesign für Umrichter

Ein Allround-Umrichter der in E-Mobilitäts- und Industrie-Applikationen zum Einsatz kommt.
Ein Allround-Umrichter der in E-Mobilitäts- und Industrie-Applikationen zum Einsatz kommt.

Infineon Technologies hat gemeinsam mit TDK eine Komplettlösung für Umrichter entwickelt, die sich aus IGBT-Modul, DC-Link-Kondensator, EMV-Filter und Gate-Ansteuerung zusammensetzt. Sie wird vor allem in E-Mobilitäts- und in Industrie-Applikationen zum Einsatz kommen

Bei elektrischen Antrieben für industrielle Anwendungen werden hauptsächlich Asynchronmotoren verwendet, wogegen für Automotive-Antriebe permanenterregte Synchronmotoren zum Einsatz kommen. Die Hersteller begrenzen die für Industrie- und Automotive-Anwendungen verwendeten Motoren auf einen maximal zulässigen Spannungsanstieg (dU/dt) auf rund 5 kV/µs (gemäß IEC 60034-18-41) an den Inverter-Klemmen. Grund für diesen Grenzwert ist die Isolationsfestigkeit der Wicklungen.

Diese Begrenzung ist bei Inverter-Betrieb vor allem deswegen wichtig, weil in diesen Motoren – bedingt durch die parasitären Kapazitäten der Wicklungen in Verbindung mit dem dU/dt des Inverters – hohe Ableitströme gegen Masse auftreten. Diese können zur Funkenbildung in den Lagern sowie zu Oberflächenerosion führen und somit die Lebensdauer der Lager stark begrenzen.

Des Weiteren werden die Leistungshalbleiter der Inverter, um möglichst hohe Energieeffizienzwerte zu erzielen, mit Schaltfrequenzen zwischen 4 und 15 kHz betrieben. Die bei diesen Schaltfrequenzen erforderlichen Flankensteilheiten bewirken, dass Harmonische mit großer Amplitude im Frequenzbereich um 1 MHz auftreten. Insbesondere bei Automotive-Anwendungen können auf diese Weise Störungen im Mittelwellen-Band (526,5 bis 1606,5 kHz) auftreten, die den Empfang von Musiksendungen im Auto nahezu unmöglich machen.

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Verbesserung durch Neuentwicklung Bild 1-3

Verbesserung durch Neuentwicklung Bild 1-3

Verbesserungen durch Neuentwicklung

Die Firmen Infineon und TDK haben vor Kurzem, um Bauteile für einen motorschonenden und EMV-gerechten Inverter anbieten zu können, wichtige Schlüsselkomponenten neu entwickelt und sorgfältig aufeinander abgestimmt. Konkret geht es dabei um die neueste IGBT3-Chip-Generation mit einer erhöhten Durchbruchspannung von 705 V sowie um sechs DC-Anschlüsse (Bild 1), die in der verbesserten Version des Leistungsmoduls HybridPack 1 Verwendung finden. Eine wichtige Rolle spielen dabei auch die modifizierten Epcos-DC-Link-Kondensatoren, mit deren Hilfe die Ersatz-Serieninduktivität (ESL) im DC-Link-Kreis von typisch 30 nH auf rund 15 nH halbiert werden konnte. Als Folge verringert sich auch die generierte Überspannung beim Abschalten der IGBTs unter vollem Nennstrom (400 A): von 500 V auf 420 V (Bild 2).

DC-Link-Kondensatoren sorgen für Ruhe im Zwischenkreis

Durch die vier DC-Anschlüsse, die in der neuen HybridPack-1-Version zusätzlich integriert worden sind, wird die Stromtragfähigkeit des Moduls – in Verbindung mit der Stromschiene – am Epcos-DC-Link-Kondensator (Bild 3) erweitert. Letzterer ist eine Neuentwicklung und trägt die Bezeichnung B25655P4477J. Er ist hinsichtlich seiner Anschlüsse genau auf die Stromschiene des IGBT-Moduls abgestimmt. Der Kondensator hat eine Kapazität von 470 µF, eignet sich für Nenngleichspannungen von 450 oder 500 V und zeichnet sich durch kompakte Abmessungen (154 × 72 × 50 mm³) aus.
Grundlage des platzsparenden Designs ist die PCC-Technologie (Power Capacitor Chip), bei der eine gestapelte Folie zum Einsatz kommt und die einen Füllfaktor des Kondensatorgehäuses von nahezu 1 ermöglicht. Alternativ dazu wird auch eine Flachwickel-Variante mit 380 µF (B25655P4387J) hergestellt. Beide Kondensatoren-Typen sind jeweils mit oder ohne direkte Anbindung an ein EMV-Filter lieferbar.