Leistungselektronik
Kondensation und Feuchtigkeit? Kein Problem!
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Integration der Gate-Ansteuerung
SKiiP-X folgt demselben Konzept: Jedes Power Blade verfügt über seinen eigenen, vollständig von der Primärseite isolierten Sekundärseiten-Treiber (Bild 4). Die Treiberplatine in jedem Blade stellt ausreichend Leistung zur Verfügung, um die IGBT-Gates aller drei Blade-Leistungsmodule parallel zu betreiben. Neue, kostengünstige ASIC-Entwicklungen für Primär- und Sekundärseite mit digitalem Protokoll unterstützen eine bidirektionale Kommunikation über die Hochspannungsisolierung. Die Logikschnittstelle an der Vorderseite des Blade unterstützt Spannungen bis 30 V; der Gesamt-Jitter liegt unter 10 ns. Verschiedene Primär-Boards, sprich: Schnittstellenkarten, sind in der Lage, je nach Systemkonfiguration bis zu neun Blades zu steuern. Sie verbinden alle Signalausgänge der Blades und sorgen für eine Steuerschnittstelle zum System-Controller über eine geschützte D-Sub-Verbindung.
Die gute Stromsymmetrie, das Schaltverhalten und die geringen transienten Überspannungen konnten bei Doppelpulstests mit bis zur doppelten Nennstromstärke (1.100 A) pro Blade demonstriert werden. Die Stromunsymmetrie bleibt stets unter 10 %. Die wichtige Abweichung der Schaltverzögerungen liegt unter 50 ns, die transiente Überspannung bleibt stets unter 1.700 V bei einer Zwischenkreisspannung von 1.300 V.
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Dies gilt für den gesamten Betriebstemperaturbereich ohne zusätzliche Entlastungskapazität (Snubber). Bild 5 zeigt einen Überblick über das Schaltverhalten in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur. Baugruppenkonzept für mehr –Zuverlässigkeit
Die SKiN -Technologie steigert dank der Chip-Verbindung durch Niedrigtemperatur-Diffusionssintern die Lastwechselfestigkeit um den Faktor 10 im Vergleich zu herkömmlichen Modulen mit Löt- und Bondverbindungen. Die Anzahl der Treiberkomponenten wird um 50 % gesenkt, ebenso die Anzahl der kritischen elektrischen Steckverbindungen und der Kühlwasseranschlüsse. Im Vergleich etwa zu SKiiP-3-Baugruppen reduziert sich die FIT-Rate auf die Hälfte.
Wichtigste Vorteile der SKiN-Technologie sind die Senkung des Wärmewiderstands, die geringere interne parasitäre Induktivität sowie die verbesserte Zuverlässigkeit aufgrund der Aufbautechnologie ohne Bondverbindungen. Durch den Wegfall von Wärmeleitmedien und den effizienten Kühlkörper kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen die doppelte Verlustleistung abgeführt werden. Allein der Wegfall der Wärmeleitpastenschicht ermöglicht eine Verbesserung beim Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Wasser von 30 % . Die SKiN-Basiseinheit ist ein kompakter Baugruppenblock. Möglich wird dies durch eine schraubenlose Verbindung der Hauptanschlüsse und Federkontakte an der Schnittstelle zur Treiberplatine. Der neue Konstruktionsansatz mit einem 500-kW-Baugruppenblock für Niederspannungsumrichter zeigt, dass im Vergleich zu Lösungen mit Standard-Modulen die doppelte Stromdichte erzielt werden kann.
Die Vorschriften für Umrichter in Windkraftanlagen sind im Hinblick auf die Netzunterstützung in allen Spannungs- und Niedrigfrequenzbereichen unter jeglichen Bedingungen sehr anspruchsvoll. Ein Leistungsmodul muss unter all diesen Bedingungen auch in Überlast- oder Überspannungssituationen arbeiten können. Das neue Modulkonzept ermöglicht einen reibungslosen Einsatz für Umrichter in Windkraftanlagen von 2 MW aufwärts und öffnet den Markt von 6-MW-Anlagen und mehr für Niederspannungsumrichter.
Literatur
[1] Beckedahl, P.; et al.: Performance comparison of traditional packaging technologies to a novel bond wireless all sintered module. Proceedings PCIM Europe 2011.
Die Autoren
| Thomas Grasshoff |
|---|
| ist Leiter Internationales Produktmanagement bei Semikron. |
thomas.grasshoff@semikron.com
| Reinhard Helldörfer |
|---|
| ist Leiter Systementwicklung bei Semikron. |
reinhard.helldoerfer@semikron.com
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