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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 2

Multilevel-Topologien

Neben der klassischen 2-Level-Topologie werden in einigen Applikationen Multilevel-Inverter eingesetzt. Diese Topologien ermöglichen höhere Ausgangsspannungen und eine genauere Angleichung der AC-Ausgangsspannung an die Sinusform. An den einzelnen Halbleiterschaltern liegt dabei jeweils nur ein Bruchteil der gesamten Ausgangsspannung an [3].

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Ein Beispiel für eine Multilevel-Topologie, die heute in der Antriebstechnik verwendet wird, stellt der kaskadierte Zellenumrichter (Cascaded Cell Inverter) dar. Dieser wurde von der Firma Robicon in den 1990er Jahren [4] entwickelt. Eine Besonderheit dieser Topologie stellt der jeweils eigene DC-Link je Zelle dar. Dies erfordert einen Transformator mit der entsprechenden Anzahl von Ausgangswicklungen. Dennoch ist diese Topologie wegen des relativ einfachen Aufbaus im Vergleich zu anderen Multilevel-Mittelspannungsumrichtern sehr beliebt. Denn damit lassen sich kostengünstig Umrichter insbesondere für den Antrieb von Pumpen und Lüftern mit Motorspannungen von 2,3 kV bis 13,8 kV realisieren. Hierbei werden in der Regel mindestens drei Zellen in Serie geschaltet und IGBT-Module mit einer Nennspannung von 1700 V verwendet (Bild 4).

Für Motorspannungen ab 6 kV macht aber auch der Einsatz von IGBTs mit höherer Nennspannung Sinn, da hierfür die Anzahl der Zellen und der isolierten Trafowicklungen begrenzt werden kann. Der Aufbau von identischen Zellen lässt sich mit dem neuen Modul sehr kompakt lösen und erlaubt ein Gleichteilekonzept zur Systemkostenoptimierung über ein breites Leistungsspektrum.

Literatur:

[1] Kerstin, H.; Rentemeister, B.; Risse, T.: Where is the Journey Headed? Bodo’s Power Systems, November 2014.
[2] Schütze, T.; Borghoff, G.; Wissen, M.; Höhn, A.: Boost Your System. Bodo’s Power Systems, März 2015.
[3] Rodríguez, J.; Lai, J.; Zheng Peng, F.: Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications. IEEE Transactions on Industrial Electornics, V. 49, Nr. 4. August 2002.
[4] Hammond, P.W.: Medium voltage PWM drive and method. U.S. Patent 5 625 545, April 1997.