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Infineons "The Answer" -High-Power-IGBT-Modul (Teil2)

Bauraum- und Verlustoptimierung von Umrichtern

8. Mai 2015, 13:24 Uhr | Von Björn Rentemeister und Uwe Jansen

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

2-Level-Topologie

Die klassische 2-Level-Topologie (Bild 2) ist die Standard-Topologie für Anwendungen im Traktionsbereich, kommt aber auch in speziellen, industriellen Mittelspannungsumrichtern zum Einsatz, z.B. Bergbauumrichtern für Untertage. In Traktionsanwendungen wird heute bei einer Fahrdrahtspannung von 1500 V oder einer Zwischenkreisspannung von z.B. 1800 V bis 2200 V i.d.R. eine Halbbrücke verwendet, die aus min. zwei separaten 3,3-kV-Einzelschaltern besteht. Je nach benötigter Leistung wird durch Parallelschaltung mehrerer Einzelschalter der Nennstrom erhöht. Dies erfordert eine komplexe externe Verschaltung der Module.

Mit dem neuen Halbbrückenmodul wird dieser Aufwand reduziert, da eine interne Verschaltung der beiden Einzelschalter zu einer Halbbrücke und die Aufteilung der Lastterminals auf eine DC- und eine AC-Seite die externe Verschienung vereinfacht. Auf der DC-Seite kann dadurch die Anzahl der Busbar-Layers auf zwei reduziert werden. Durch die optimierte interne Verschaltung der beiden Schalter können außerdem die Streuinduktivitäten um ca. 50 % reduziert werden. Auch hinsichtlich der ohmschen Verluste in der externen Verschienung wirkt sich die Zusammenfassung der Schalter einer Halbbrücke in einem Gehäuse günstig aus. Bei gleichem Ausgangsstrom und gleicher Dicke der externen Schienen werden diese auf 75 % des Vergleichswertes bei einer typ. Einzelschalter-Lösung gesenkt. Dies ist vorteilhaft, weil die damit verbundenen thermischen Verluste i.d.R. nicht direkt in einen Flüssigkeitskühlkreislauf abgeführt werden können, sondern an die Innenluft des Umrichtergehäuses abgegeben werden müssen. Gerade bei Geräten mit hoher Schutzart erfordert die Abfuhr dieser Verlustwärme hohe Aufwendungen auf Systemebene, z.B. durch Wärmetauscher oder Klimageräte.

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Mit dem neuen Modul lässt sich der Nennstrom durch Parallelschaltung der Halbbrückenmodule erhöhen (Bild 3). Das skalierbare Konzept ermöglicht ein feinstufiges Geräteprogramm bei weitgehender Verwendung von Gleichteilen für alle wesentlichen Systemkomponenten. Der auf dem Modul vorgesehene Bauraum für die Ansteuerelektronik vereinfacht die Parallelschaltung. Die Konstruktion ermöglicht eine Positionierung auf engstem Bauraum und somit ein kompaktes Umrichter-Design. Eine Halbbrückenkonfiguration für einen Phasenstrang innerhalb einer 2-Level-Topologie kann dadurch sehr kompakt und mit einer hohen Leistungsdichte gebaut werden. Für Traktionsanwendungen ist noch Folgendes zu beachten:

Halbrückenmodule mit kleinem Nennstrom eignen sich gut, um Fahrzeugkonzepte mit individuell geregelten Einzelachsen zu realisieren.
Grundsätzlich können mit den gleichen Modulen auch Umrichter für Hilfsbetriebe realisiert werden.
Sollen zur besseren Nutzung von Bremsenergie Energiespeicher auf dem Fahrzeug genutzt werden, so lassen sich diese ebenfalls über diese Halbbrückenmodule an den Zwischenkreis anbinden.

Über das geplante Portfolio mit unterschiedlichen Spannungsklassen in einem vereinheitlichten Gehäuse lassen sich die verschiedenen Applikationen mit einer einheitlichen Umrichter-Konstruktion bedienen.