3-Level-IGBT-Module
Raus aus der Nische
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Kriterien der Modulwahl
Ein gewichtiges Kriterium zur Modulauswahl ist die Spannungsklasse. Die einzelnen Halbleiter einer NPC-Schaltung weisen alle die gleiche Sperrspannung von 600/650 V bzw. 1200 V auf. Bei der TNPC-Schaltung wird in horizontalen und vertikalen Zweig unterschieden: Der vertikale Zweig ist direkt an Plus und Minus des Zwischenkreises angeschlossen und muss daher mit höherer Sperrspannung als der horizontale Pfad ausgelegt werden. Damit ist nur die Kombination 1200 V/650 V bzw. 1700 V/1200 V denkbar. Zusätzlich ist eine Variante mit durchgehend 1200 V sperrenden Elementen erhältlich. Mit dieser Auswahl lassen sich, wie bereits erwähnt, nicht nur sämtliche Spannungsklassen wie mit Standard-2-Level-Modulen abdecken, sondern es lässt sich bei der NPC-Schaltung auch die Zwischenkreisspannung bis 1500 V anheben.
Der höheren möglichen Spannung steht eine höhere Komplexität der Schaltung und deren Bedienung gegenüber. Um den Einstieg in die 3-Level-Technologie zu erleichtern, hat Semikron einen 3-Level-Evaluierungswechselrichter zu Testzwecken entwickelt (Bild 3). Der Wechselrichter basiert auf dem MiniSKiiP-Modul SKiiP28MLI07E3V1, also einer 150-A-/650-V-NPC-Version mit Federkontakten und ohne Bodenplatte. Der Wechselrichter ist mit allen Komponenten für den sofortigen Betrieb ausgestattet: Die Module sind auf einem Luftkühler montiert, eine Leiterplatte kontaktiert sowohl die Module als auch den Zwischenkreis und stellt Schraub-Terminals zur Verbindung mit der DC-Einspeisung und der AC-Last zur Verfügung. Die integrierten Stromsensoren werden von Logikbausteinen ebenso ausgewertet wie die Spannungs- und Temperaturmessungen. Hervorzuheben ist die Schaltzustandsüberwachung der über die Anwender-Schnittstelle angelieferten Schaltsignale; sollte hier ein Fehler vorliegen, z.B. Kurzschluss aller Schalter, so wird dieser Zustand blockiert und die betroffene Phase abgeschaltet. Darüber hinaus ist der Wechselrichter mit Active Clamping ausgestattet. Damit bietet das Gerät eine Basis, um Versuche mit der NPC-Topologie oder speziell dem verwendeten MiniSKiiP-Modul zu unternehmen. Der Wechselrichter ist für Ausgangsströme bis 100 A (RMS) ausgelegt.
Neben grundlegenden Versuchen zur Funktion der 3-Level-NPC-Schaltung hat Semikron auch die Spannungsgrenzen ausgetestet. Dabei ist im Rahmen eines BMBF-Projekts ein kompakter 1-MVA-Wechselrichter entstanden, bei dem zwei SKiM300MLI12E4-Module parallel betrieben werden (Bild 4). Die verwendeten SKiM-Module sind mit 1200 V sperrenden Halbleitern ausgestattet. So kann die Zwischenkreisspannung bis auf 1500 V und die AC-Spannung bis auf 1000 V angehoben werden.
Trend zu höheren AC-Spannungen
Wohin geht die Reise? Im Augenblick ist ein Trend zu höheren AC-Spannungen zu erkennen. Das verfügbare Portfolio der 3-Level-NPC-Module wird also anwachsen: Es wird mehr verschiedene Gehäuse mit 1200-V-Halbleitern geben. Der nächste Schritt, die Spannung noch weiter anzuheben, – also auf 1700-V-Chips – ist naheliegend und hängt lediglich von der Isolationsfähigkeit der Modulgehäuse und der Bereitschaft, die Niederspannungsrichtlinie zu verlassen und auf Produktnormen zurückzugreifen, ab.
Das Angebot der 3-Level-Module steigt mit den Anforderungen. Dabei wird es immer Nischen geben, die eine anwendungsspezifische Lösung erfordern. Den kontinuierlich steigenden Anforderungen gilt es mit immer leistungsfähigeren Bauteilen entgegenzutreten. Ein nächster von vielen weiteren Schritten ist die Teilbestückung der 3-Level-Module mit Siliziumkarbid-Halbleitern. Aufgrund der geringen Schaltverluste dieser Bauteile kann die Schaltfrequenz gesteigert werden und es ist möglich, den Klirrfaktor zu senken und die Qualität zu erhöhen.
Das Nischendasein der 3-Level-Technik hat ein Ende gefunden. Sie wird in den nächsten Jahren immer mehr an Bedeutung erlangen und mit immer neuen Herausforderungen aufwarten, denen zu stellen sich lohnt.
Der Autor:
| Dipl.-Ing. Ingo Staudt |
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| studierte Elektrotechnik mit Vertiefungsrichtung Leistungselektronik an der Universität Ulm. Bevor er bei Semi¬kron Elektronik GmbH & Co. KG als Applikationsingenieur im Bereich Internationale Applikation mit Schwerpunkt auf 3-Level-Technologie tätig wurde, war er einige Jahre in der Entwicklung von Solarwechselrichtern und Antriebsumrichtern beschäftigt. |
ingo.staudt@semikron.com
- Raus aus der Nische
- Wahl der passenden 3-Level-Topologie
- Kriterien der Modulwahl
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