Komplettlösung für E-Mobility- und Industrieanwendungen

Während elektrische Antriebe für Industrieanwendungen meist Asynchronmotoren enthalten, kommen bei Antrieben für den Automobilbereich permanentmagnetisch erregte Synchronmotoren zum Einsatz. Bei Motoren für beide Anwendungsbereiche begrenzen die Hersteller den maximal zulässigen Spannungsanstieg (dU/dt) an den Inverterklemmen gemäß IEC 60034-18-41 auf rund 5 kV/µs. Grund für diesen Grenzwert ist die Isolationsfestigkeit der Motorwicklungen.

Beim Inverterbetrieb von Motoren treten, bedingt durch die parasitären Kapazitäten der Wicklungen in Verbindung mit dem Spannungsanstieg des Inverters, hohe Ableitströme gegen Masse auf. Diese können zur Funkenbildung in den Lagern und zur Oberflächenerosion führen und so die Lebensdauer der Lager stark begrenzen.

Bild 1: Das IGBT-Modul Hybrid-Pack1-DC6 verfügt über sechs DC-Anschlüsse und ist für 705 V beziehungsweise 400 A ausgelegt. Epcos

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, arbeiten die Leistungshalbleiter der Inverter mit Schaltfrequenzen im Bereich von 4 bis 15 kHz. Durch die benötigte Flankensteilheit bei den Schaltfrequenzen führt dies dazu, dass Harmonische mit großer Amplitude im Frequenzbereich um 1 MHz auftreten. In Anwendungen für den Automobilbereich bewirkt dies Störungen im Mittelwellenband (526,5 bis 1606,5 kHz), die den Radioempfang im Auto nahezu unmöglich machen.

IGBT-Module mit sechs DC-Anschlüssen

Damit Anwender auf einen motorschonenden und EMV-gerechten Inverter zurückgreifen können, haben Infineon und TDK Schlüsselkomponenten neu entwickelt, sorgfältig aufeinander abgestimmt und die bisherigen IGBT-Module Hybrid-Pack HP1 verbessert. Neben der IGBT3-Chipgeneration mit erhöhter Durchbruchspannung von 705 V enthalten die Module statt bisher zwei nun sechs DC-Anschlüsse (Bild 1). Zusammen mit dem modifizierten DC-Link-Kondensator von Epcos konnten die Entwickler dadurch den ESL-Wert im DC-Link-Kreis von typisch 30 auf rund 15 nH nahezu halbieren. Dementsprechend verringert sich die erzeugte Überspannung beim Abschalten der IGBTs unter vollem Nennstrom (400 A) von 500 auf 420 V (Bild 2).

Bild 2: Deutliche Senkung der Überspannung. Geringere Spannungsspitzen beim Schalten schonen IGBT-Modul und Motor. Epcos

Durch die vier zusätzlichen DC-Anschlüsse erhöht sich die Stromtragfähigkeit des IGBT-Moduls in Verbindung mit der Stromschiene am DC-Link-Kondensator. Damit ist das Modul Hybrid-Pack-DC6 auch für künftige IGBT-Technologien mit höherer Stromtragfähigkeit gerüstet. Bestehende Anwendungen mit dem Hybrid-Pack1 mit zwei DC-Anschlüssen sind mit der neuen Variante einfach in ihrer Leistungsfähigkeit erweiterbar, da die Abmessungen weitgehend identisch sind.

Die Vorgängerversion Hybrid-Pack1 mit zwei DC-Anschlüssen erreicht durch eine im Modulgehäuse befindliche Stromschiene einen sehr kompakten Aufbau. Aus Gründen der Kompatibilität wurde dies auch bei der neuen Version beibehalten. Durch eine äußere Stromschiene lässt sich der Strom in der DC-Versorgung des Moduls aufteilen und so eine bessere Ausnutzung erreichen. In Bild 2 (rechts) ist bei Nennstrom der Strom von 400 A durch die innere Stromschiene dargestellt.

Bild 3: Platzsparender Zwischenkreiskondensator. Dank PCC-Technologie ist ein Füllfaktor von fast 1 erreichbar. Epcos

Weiterentwickelter DC-Link-Kondensator

Eine weitere Neuentwicklung ist der DC-Link-Kondensator B25655P4477J von Epcos (Bild 3), dessen Anschlüsse genau auf die Stromschiene des IGBT-Moduls abgestimmt sind. Es handelt sich hier um eine Weiterentwicklung der bisherigen Epcos-Kondensatoren für die Hybrid-Pack- und Easy-Serien von Infineon. Der Kondensator hat eine Kapazität von 470 µF und steht mit Nennspannungen von 450 oder 500 V_DC zur Verfügung. Die Abmessungen betragen 154 x 72 x 50 mm³.

Grundlage des platzsparenden Designs ist die PCC-Technologie (Power Capacitor Chip), bei der eine gestapelte Folie zum Einsatz kommt. Diese Technologie ermöglicht einen Füllfaktor des Kondensatorgehäuses von nahezu 1. Alternativ gibt es auch eine Flachwickelvariante mit 380 µF (B25655P4387J). Beide Kondensatortypen sind jeweils mit oder ohne direkte Anbindung an einen EMV-Filter erhältlich.

Bild 4: Hochvolt-DC-Filter P001316 für Automotive-Inverter. Die Anschlüsse sind so geformt, das sie sich direkt mit dem DC-Link-Kondensator verbinden lassen. Neben einem platzsparenden Design weisen die Filter eine geringe Induktivität und niedrige Übergangswiderstände auf. Epcos

Hochvolt-DC-Filter für elektrische Fahrzeugantriebe

TDK hat auch eine Serie von Zweileiter-Hochvolt-Gleichstromfiltern entwickelt, die speziell auf die Anforderungen elektrischer Antriebe für Fahrzeuge zugeschnitten ist. Damit lassen sich auch die EMV-Forderungen gemäß UN ECE Regulation No. 10 – Rev.5 erfüllen.

Die Hochvolt-DC-Filter der Serie P100316 (Bild 4) sind für eine maximale Spannung von 600 V_DC ausgelegt und entsprechen damit den typischen Spannungen von Hochvoltbatterien. Die Stromtragfähigkeit der Filter liegt bei 150 oder 350 A_DC, wodurch sich selbst Antriebssysteme mit Leistungen bis etwa 100 kW befiltern lassen. Der Gleichstromwiderstand liegt für alle Typen bei 0,05 mΩ, so dass auch bei hohen Strömen keine nennenswerten Verluste auftreten.

Bild 5: Emissionen beim Einsatz des Hochvolt-DC-EMV-Filters. Mit dem neuen EMV-Filter zwischen Batterie und Inverter reduzieren sich trotz des ungeschirmten Kabels die leitungsgebundenen Emissionen. Epcos

Die Filter sind so wirksam, dass Entwickler auf geschirmte Leitungen zwischen Batterie und Inverter verzichten können (Bild 5). Dies bringt nicht nur Kosten- und Gewichtsvorteile, sondern sorgt auch für eine höhere Langzeitstabilität, da eine aufwendige und störanfällige Schirmanbindung entfallen kann.

Leitungsgebundene Emissionen senken

Obwohl eine ungeschirmte Leitung zum Einsatz kam, ließen sich mithilfe der neuen Hochvolt-Gleichstrom-EMV-Filter besonders die leitungsgebundenen Emissionen um bis zu 70 dB oder einen Faktor von 3000 reduzieren. Auch lassen sich bisher übliche EMV-Maßnahmen in den einzelnen Systemkomponenten reduzieren.

Aufgrund des geringen Gewichts und der kompakten Abmessungen von 186 x 65 x 65 mm³ und 121 x 52 x 52 mm³ eignen sich die Filter insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen. Neben Ausführungen mit genereller Gleichtaktunterdrückung sind auch Typen verfügbar, die im Langwellenspektrum zwischen 150 und 300 kHz eine hohe Filterwirkung aufweisen.

Ferritkerne verlängern die Motorlebensdauer

Am Ausgang des Inverters treten aufgrund der steilen Schaltflanken Spannungsspitzen auf, die sich durch die parasitäre Induktivität der Motorleitungen noch erhöhen können. Unter ungünstigen Umständen können die Spannungsspitzen zu Durchschlägen in den Motorwicklungen führen und diese zerstören. Gleichzeitig führt die Schaltfrequenz des Inverters zu einer höherfrequenten Beaufschlagung der parasitären Kapazitäten zwischen Wicklungen und Gehäuse (Massepotential) der Motoren. Dies wiederum führt zu Ableitströmen, die durch die Motorlager fließen und Funken verursachen können.

Abhilfe schaffen Ferrit-Ringkerne am Ausgang des Inverters, durch die die Motorleitungen verlaufen. Durch einen verringerten dU/dt reduzieren sich auch die Gleichtaktstörungen. Zugleich sinken die Ableitströme auf ein unkritisches Niveau. Somit ist sichergestellt, dass die Störgrenzen der Klassen I und III eingehalten werden (Bild 6). TDK bietet Ringkerne der Serie B64290L mit unterschiedlichen Abmessungen und Ferritmaterialien an. Diese sind jeweils für bestimmte Frequenzbereiche und Temperaturen geeignet und lassen sich auf jedes Antriebssystem abstimmen. Zu empfehlen sind Materialien wie T65, N30 und N87, die auch in Epcos-EMV-Drosseln enthalten sind.

Bild 6: Dämpfung von Gleichtaktstörungen. Epcos-Ferritkerne halten die Störgrenzen der Klassen I und III ein. Epcos

Treiberboard unterstützt Entwickler

Darüber hinaus wurde ein Treiberboard für das Modul Hybrid-Pack1-DC6 entwickelt, das auf den bewährten Gatetreibern der Serie 1ED020I12FA2 von Infineon basiert und eine effiziente und EMV-gerechte Ansteuerung ermöglicht, um die Vorteile der neuen Konfiguration einfach umsetzen zu können. Mit dieser Lösung ist es erstmals gelungen, eine Leistungsendstufe, bestehend aus IGBT-Modul, DC-Link-Kondensator, EMV-Filter und Gate-Ansteuerung, anzubieten, die die Erfordernisse der EMV-Maßnahmen von Anfang an berücksichtigt.

(hb)