IGBT-Treiber und Leistungsbrücken
Modulare Umrichterentwicklung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Modularer Baukasten
Basierend auf der Treiber-Technologie ist ein luftgekühlter Halbbrücken-Leistungsblock (Bild 3) entstanden. Er ist verfügbar mit einem 600-V- oder 1200-V-IGBT-Modul und beinhaltet neben dem Modul ein Gate-Treibermodul, Snubber-Kondensator, Kühlkörper, Lüfter und Phasenstrom-Sensor. Der Leistungsblock wird lediglich über ein 10-poliges Flachbandkabel mit der Steuerung verbunden, das alle Versorgungsspannungen, Steuer- und Sensorsignale beinhaltet.
Mit diesem Halbbrückenmodul können Leistungstopologien schnell und flexibel realisiert werden, die nicht als Standard-Umrichter erhältlich sind. Zum Beispiel kann die Endstufe für einen geschalteten Reluktanzmotorstrang aus zwei Leistungsblöcken kombiniert werden. Denkbar ist auch eine Anwendung als Chopper-Leistungsstufe.
Die maximalen Phasenströme sind abhängig von der anliegenden Zwischenkreisspannung, der maximalen PWM-Frequenz und der maximalen Umgebungstemperatur.
Wichtiger Bestandteil des Umrichters ist eine Baugruppe zur isolierten Messung der Zwischenkreisspannung. Für diese Aufgabe gibt es einen isolierten Spannungssensor für 1200-V-Zwischenkreisspannung. Der Versorgungsspannungsbereich dieses Moduls reicht von 3 bis 18 V und ist daher universell einsetzbar. Einige isolierte Spannungswandler arbeiten auf dem Prinzip eines Stromwandlers mit einem Primärstrom von ca. 20 mA. Bei einer Zwischenkreisspannung von 1000 V hätte der erforderliche Vorwiderstand einen Wert von 50 kΩ und eine Leistungsaufnahme von 20 W! Der Eingangswiderstand des neuen Spannungssensors beträgt 1,2 MΩ, die primäre Leistungsaufnahme beträgt daher lediglich 0,84 W; damit konnten die erforderlichen Widerstände im Modul integriert werden.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil vieler IGBT-Umrichter ist der Y-Kondensator zwischen negativem Zwischenkreis-Anschluss und geerdetem Gehäuse. Meist ist die Integration des Y-Kondensators eher unbequem, da eine mechanisch robuste Befestigung von Kondensator und Anschlüssen aufwändig ist. Da im Spannungssensor jedoch negative Zwischenkreisspannung und Gehäusepotenzial gut erreichbar sind, wurde bereits ein Y-Kondensator mit 3,3 nF im Modul integriert, der bei metallischer Befestigung des Moduls aktiv ist und bei isolierter Befestigung des Moduls nicht verwendet wird.
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Die Intelligenz der modularen Plattform bildet die FPGA-basierte Control Box (Bild 4). Sie bietet verschiedene Verbindungsmöglichkeiten zum Anschluss von maximal acht individuellen Halbbrücken-Leistungsblöcken und eine breite Palette an Kommunikationsschnittstellen.
Durch bis zu zwei werksseitig konfigurierte Drehzahl- oder Positionssensoreingänge sind Zweiachs-Applikationen denkbar. Es können Schnittstellenmodule für Resolver, Encoder oder Hall-Sensoren konfiguriert werden. Für eine Zweiachs-Applikation ist auch eine unterschiedliche Bestückung der beiden Kanäle möglich.
Als Kommunikationsschnittstellen stehen Ethernet/EtherCAT, CAN, RS-232, RS-422, RS-485 sowie analoge und digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Ein PC-basiertes Konfigurations- und Betriebsüberwachungs-Tool sowie ein Drehzahl-Potenziometereingang und LED-Anzeigen erleichtern die Inbetriebnahme und den Betrieb.
Die Control Box findet meist in Versuchsaufbauten Verwendung. Für komplexe Bauraumanforderungen ist eine kundenspezifische Anpassung der Control Box denkbar, da der FPGA-Kern als kompaktes Leiterplattenmodul leicht wiederverwendet werden kann.
Mit diesem Baukastensystem lassen sich Umrichter bis ca. 150 kW schnell und effizient konfigurieren. Maccon konnte durch die Verwendung dieser nun bewährten Standardkomponenten das Entwicklungsrisiko und die Entwicklungszeiten für kundenspezifische Umrichter deutlich senken. Auch im Bereich der Soft- bzw. Firmware für die Control Box setzt man auf wiederverwendbare Blöcke, um dem Wunsch nach zuverlässigen Lösungen bei kurzen Entwicklungszeiten gerecht zu werden.
Nach Unterlagen von Christian Blake, Ted Hopper (Maccon GmbH)
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