3-Level-IGBT-Module
Raus aus der Nische
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wahl der passenden 3-Level-Topologie
Je nach Anwendung gilt es, die passende 3-Level-Topologie auszuwählen. Zwar erlaubt die TNPC-Topologie eine verhältnismäßig einfache Ansteuerung, dafür ist aber beim Verwenden von 1700-V-Halbleitern bei einer Zwischenkreisspannung von ca. 1100 V das Limit erreicht. Hier bietet sich die NPC-Schaltung an, mit deren Hilfe es möglich ist, mit 1200-V-Halbleitern bis zu 1500 V Gleich- bzw. 1000 V Wechselspannung zu verarbeiten. Diese Werte stellen gleichzeitig die Grenzen der Niederspannungsrichtlinie dar; innerhalb der Niederspannungsrichtlinie kann auf ein rechtlich abgesichertes Normen- und Regelwerk zurückgegriffen werden und es ist von einer einfachen Zulassung neu entwickelter Geräte in Europa auszugehen.
Natürlich ist die Erhöhung der Arbeitsspannung auf die genannten Werte nicht nur aufgrund der rechtlichen Absicherung interessant. Eine höhere Spannung bedeutet bei konstantem Strom zunächst eine höhere Leistung. Alternativ kann bei gleichbleibender Leistung und höherer Spannung der Strom abgesenkt und dadurch z.B. der Leitungsquerschnitt reduziert werden.
Die Möglichkeit zur Erhöhung der Zwischenkreisspannung macht die NPC-Topologie interessant für Solarwechselrichter. In großen Solarfeldern ist der Verkabelungsaufwand zur Verschaltung der einzelnen Solarmodule nicht zu unterschätzen. Werden nun mehr Zellen in Reihe anstatt parallel geschaltet, verringert sich der zu leitende Strom und die Verdrahtung kann reduziert werden. Auch bei Wind-Applikationen kann eine Erhöhung der Spannung zur Erhöhung des Wirkungsgrads beitragen; die Verluste, die auf dem Weg vom Generator in der Gondel zum Einspeisepunkt am Boden entstehen, sind im kleinen einstelligen Prozentbereich anzusiedeln. Neben hohen möglichen Spannungen bietet die NPC-Topologie den Vorteil, dass im Vergleich zu 2-Level-Technik gleicher Spannungsklasse niedriger sperrende Bauteile verwendet werden können. Während die geringeren Durchlassverluste der NPC-Halbleiter kaum Vorteile gegenüber TNPC bringen, stellen gerade bei hohem Aussteuergrad die Schaltverluste bei steigender Taktfrequenz einen immer größeren Anteil an den Gesamtverlusten. Daher fällt die Wahl der passenden Topologie zunehmend zugunsten NPC aus.
Über die Einsparung teurer Rohstoffe hinaus sind beide 3-Level-Topologien dort von besonderem Vorteil, wo primär Leistung den Netzanforderungen entsprechend ins Netz eingespeist wird oder mittels unterbrechungsfreier Stromversorgungen empfindlichen Geräten Leistung zur Verfügung gestellt werden muss. Durch reduzierten Filteraufwand gegenüber der 2-Level-Technik ergeben sich hier Vorteile in der Effizienz. Gerade bei letztgenannter Applikation kann der Filteraufwand belassen, der Klirrfaktor gesenkt und damit die Netzqualität gesteigert werden. Eine Mischung aus den Optionen ist genauso denkbar.
Die Modulwahl
Letztlich hängt die Wahl der geeigneten Topologie nicht nur von einem Faktor ab, sondern von dem gesamten Anforderungspaket der Anwendung. Semikron bietet Leistungsmodule beider 3-Level-Topologien an. Der verfügbare Modulstrom beginnt bei 20 A (NPC) bzw. 40 A (TNPC) und endet jeweils bei 600 A für die Ausführungen, in denen ein kompletter Phasenzweig in einem einzigen Gehäuse verbaut ist. Mit Semitrans-Modulen können GB- (Standard-2-Level-Halbbrücke) und GM-Module (zwei IGBTs und antiparallele Dioden, deren Emitter verbunden sind) recht niederinduktiv zu einem TNPC-Brückenzweig verschaltet werden. Die GM-Module sind mit 1200-V-Schaltern versehen und bieten einen Nennstrom von 150 bis 400 A.
Semikron bietet 3-Level-Module in zwei Varianten an: Basierend auf Leiterplatten und auf Bus-Bar. Zu den Leiterplatten-basierenden Modulen zählen Semitop (Löt- oder PressFit-Kontakte) und MiniSKiiP (Federkontakte). Hier werden die Lastanschlüsse über die Platine kontaktiert; bei der Montage erfolgt die Befestigung der Module und der Platine in einem Schritt. Beide Topologien sind bis zu einem Bemessungsstrom von 200 A verfügbar. Auf Bus-Bars basieren die Module SKiM, SEMiX und Semitrans. Während die Semitrans-Lösung für TNPC aus zwei separaten Modulen (max. 400 A) aufgebaut werden müssen, ist in den beiden anderen Gehäusen jeweils ein kompletter Phasenzweig einer der beiden 3-Level-Topologien verbaut. Die Lastanschlüsse müssen über Kupferschienen angeschlossen werden; das bedeutet zusätzlichen Fertigungsaufwand, ermöglicht jedoch höhere Ströme bis 600 A. SEMiX adressiert den Trend, immer höhere Ströme über Leiterplatten zu führen, indem selbst die Lastanschlüsse mittels einer Leiterplatte kontaktiert werden. Alle Modulfamilien sind in NPC- und TNPC-Topologie verfügbar.
- Raus aus der Nische
- Wahl der passenden 3-Level-Topologie
- Kriterien der Modulwahl
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