Effizientes Leistungsmodul für elektronisch kommutierte Antriebe

Wer als Hersteller von EC-Motoren das enorme Energie- und Optimierungspotenzial dieser Antriebe anzapfen will, benötigt eine kompakte und zuverlässige Leistungselektronik. Fällt die Entscheidung auf hoch integrierte Power-Elektronik wie etwa IPMs, profitiert er zusätzlich von einer wesentlich verkürzten Markteinführungszeit. Die Hersteller sind heute gezwungen, ihren Teil zu hochgesteckten Klimaschutzzielen und zur Begrenzung steigender Energiekosten beizutragen. Deshalb sind viele Entwickler bestrebt, innovative Produkte und Techniken zu entwickeln, bei denen die Reduzierung des Energieverbrauchs an vorderster Stelle steht. Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren, Klimageräte und dergleichen sind permanent in Betrieb, ihr Energieeinsparungs-Potenzial ist dementsprechend groß.

Der klassische Motorantrieb arbeitet unter Volllast am effizientesten, doch die Motoren solcher Applikationen laufen leider meist nur mit Teillast. Die naheliegende Antwort scheint in einer intelligenten Elektronik für Motorantriebe zu bestehen. Beengte Platzverhältnisse, schlecht belüftete Umgebungen und anspruchsvolle EMV-Spezifikationen sind jedoch Herausforderungen, die Entwickler unter Umständen vom Einsatz solcher Leistungselektronik-Bausteine abhalten.

EC-Antriebe für hohe Effizienz

Ein EC-Motorantrieb – EC steht dabei für Electronically Commutated – eignet sich sehr gut zum Maximieren der Effizienz solcher Applikationen. Der Antrieb versorgt die Motorwicklungen stets optimal mit Strom – auch wenn er bei Teillast läuft. Dadurch erhöht sich die Gesamt-Energie­effizienz signifikant. Für einen EC-Motorantrieb werden allerdings mehrere Leistungselektronik-Komponenten benötigt. Zum einen muss der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden. Zur Reduzierung der Blindleistung, die Verluste mit sich bringt und eine Reihe von Nachteilen birgt, kann eine PFC- (Power Factor Correction, Leistungsfaktor-Korrektur) Schaltung verwendet werden. Sie ermöglicht gleichzeitig variable Eingangsspannungen von etwa 90 bis 230 VAC. Der Inverter, als nächste Stufe, erzeugt die für den Betrieb des EC-Motors benötigte Spannung. Ein solches System erfordert mindestens ein halbes Dutzend Leistungshalbleiter.

Weiterhin verlangen Leitungs- und Schaltverluste nach einer Kühlung über einen Kühlkörper. Schaltungsentwurf und -aufbau derart vieler diskreter Leistungshalbleiter sind jedoch herausfordernde Aufgaben, besonders da der Trend zu Applikationen geht, bei denen die Minimierung des Platzes ein Kriterium darstellt. Diese Problematik lässt sich durch den Einsatz von Powermodulen überaus elegant lösen. Sie stellen sämtliche benötigten Leistungshalbleiter in einem einzigen integrierten Paket zur Verfügung, das direkt mit dem Kühlkörper verbunden wird. Für Gleichrichter, Wechselrichter und PFC-Schaltungen stehen verschiedene Modelle zur Verfügung. Im Modul zeichnen sich die Verbindungen zwischen den Komponenten durch eine geringe Induktivität aus. Dadurch verbessert sich die Leistung und EMV-Probleme werden bewältigt. Ein Beispiel für ein Powermodul, das sämtliche zuvor genannten Bausteine vereint, ist das FlowPIM 0 +PFC von Vincotech, das auf bis zu 2,2 kW Ausgangsleistung ausgelegt ist. Powermodule lösen die Hauptprobleme, die in Verbindung mit elektronischen Motorantrieben auftreten.

Bild 1: Die schematische Darstellung zeigt die Schaltung der Leistungshalbleiter in den Logikpegel-Eingangsspannungen.Vincotech

Trotzdem muss der Entwickler noch die Treiberschaltung entwickeln und gerade das kann sich als knifflige Aufgabe erweisen, die ihn unter Umständen mehr als einmal zwingt, wieder vorne beim Layout anzufangen. Hier kommt das intelligente Powermodul (IPM) ins Spiel. In ihm sind sämtliche Leistungshalbleiter integriert, darunter auch die Treiberschaltung, wodurch sich das Problem mit dem Design der externen Treiberschaltung erledigt. Im Endergebnis werden die Leistungshalbleiter mit Logikpegel-Eingangsspannungen geschaltet.

Kompaktes Design durch IPMs

Bild 2: Das FlowIPM 1B-Modul beinhaltet die Treiberschaltung, einschließlich Bootstrap-Dioden und -Kondensatoren, Shunt-Widerstände, einen NTC und einen DC-Link-Kondensator.Vincotech

Derzeit ist lediglich eine IPM-Lösung am Markt erhältlich, die Gleichrichter, PFC und Inverter in einem einzigen Paket integriert miteinander kombiniert: das FlowIPM 1B. Dieses Modul mit einer Grundfläche von 72 x 36 mm² enthält die komplette Treiberschaltung, einschließlich Bootstrap-Dioden und -Kondensatoren, Shunt-Widerstände für PFC sowie Wechselrichter, ein NTC und einen kleinen DC-Link-Kondensator (Bild 2). All diese Komponenten sitzen direkt auf einem Keramik-Trägermaterial. Die Keramik weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Sie ist direkt mit dem Kühlkörper verbunden und stellt sicher, dass sämtliche Komponenten maximal gekühlt werden. Hierin liegt ein großer Vorteil, denn die Leistung, die Effizienz und die Lebensdauer von Leistungshalbleitern hängen ganz wesentlich vom Wärmemanagement, sprich einer guten Kühlung ab. Das Gleiche gilt für Komponenten wie Treiberschaltungen und Shunt-Widerstände – besonders in hermetisch dichten Umgebungen ohne Luftzirkulation.

Bild 3: Die Anordnung und Lage der Ein- und Ausgänge des FlowIPM 1B-Moduls.Vincotech

Das FlowIPM enthält sämtliche Leistungshalbleiter sowie den Großteil der Peripherie, die eine EC-Motorsteuerungsanwendung benötigt. Der Anwender muss lediglich die großen passiven Bauteile und die Steuerungslogik separat montieren. Die Pins sind in zwei getrennten Reihen angeordnet, eine für die Leistungsanschlüsse und die andere für die Steuersignale. Mit dieser Anordnung werden Überkreuzungen von stromführenden Ein- und Ausgängen vermieden (Bild 3). Ausgestattet mit Logikpegel-Eingängen kann die Treiberschaltung direkt mit einem Mikrocontroller oder ähnlichem verbunden werden. Das Modul ist in Ausführungen mit einer maximalen Ausgangsleistung von 1 und 2 kW verfügbar. Das kompakte Design des FlowIPM 1B ermöglicht einen platzsparenden Einsatz. Die kurzen Wege zwischen den Komponenten kombiniert mit einem integrierten Kondensator für den DC-Link verhindern HF-Rückkopplungen. Parasitäre Induktivitäten werden limitiert, um Spannungsspitzen bei Schaltvorgängen zu verhindern. Zusammen bewirken diese Eigenschaften der Bausteine eine gute EMV-Leistung.

Merkmale und Eigenschaften

Das FlowIPM verfügt über verschiedene Merkmale, die darauf abzielen, die Montage zu beschleunigen. Es kann optional mit Press-fit-Pins (Anschlusspins für die mechanische Einpressmontage) ausgestattet werden, um das Modul ohne Löten in die Leiterplatte einzusetzen. Dies erweist sich bei der Herstellung als vorteilhaft, besonders wenn das Modul an der Unterseite eingepresst wird. Ein optional bei der Herstellung aufgebrachtes Phase-Change-Material bietet eine gute und zuverlässige thermische Verbindung zwischen Modul und Kühlkörper.

Bild 4: Die Testleiterplatte unterstützt das Design-In und reduziert den Zeitraum von Produktentwicklung bis hin zur Platzierung des Produkts auf dem Markt.Vincotech

Das Modul bietet ebenfalls Schutz gegen Feuchtigkeit und schädigende Gase. Die gemessenen Luft- und Kriechstrecken entsprechen den anwendbaren Branchennormen. Um den Design-In-Support zu unterstützen und die Markteinführungszeit zu verkürzen, besteht eine komplette Testleiterplatte für das FlowIPM 1B (Bild 4). Es umfasst eine vollständige 1-kW-PFC-Stufe mit passiven Komponenten und PFC-Controller. Der Entwickler muss es lediglich an eine Motorsteuerung anschließen und schon lässt sich in wenigen Schritten ein kompletter Motorantrieb generieren. Mikrocontroller-Hersteller haben Motorsteuerungsplatinen entwickelt, um Hersteller bei der Leistungsbewertung ihres Motorsteuerungsproduktes zu unterstützen.

Einfach charakteristisch

Bild 5: Das FlowIPM 1B mit Phase-Change-Material.Vincotech

EC-Motorantriebe sind die ideale Lösung für Applikationen, bei denen es auf Energieeffizienz ankommt. Sie erfordern allerdings eine Leistungselektronik, die sich nicht so einfach realisieren lässt. Der Platz ist begrenzt, die Belüftung fehlt und die EMV-Vorgaben sind anspruchsvoll. Hier sind integrierte Leistungselektroniken wie IPMs gefragt. Das Modul FlowIPM 1B von Vincotech (Bild 5) eignet sich für die einfache Umsetzung von Leistungselektronik für Embedded-Motorantriebs-Applikationen.

(rao)