Optimieren durch Integrieren

Beim Blick auf die Stücklisten heutiger Frequenzumrichter des mittleren Leistungsbereichs zwischen 75 bis 160 kW fällt auf, dass Befestigung, Versorgung und Anbindung der Stromsensoren einen nicht unerheblichen Teil der gesamten Materialkosten ausmachen. Zu den reinen Materialkosten kommt zusätzlich benötigter Bauraum hinzu. Außerdem müssen diese Sensoren manuell montiert und angeschlossen werden, was weiteren Aufwand im Montageprozess generiert.

An diesem Punkt setzt das IGBT-Modul Semix 3 Press-Fit Shunt von Semikron mit integrierten Shunt-Widerständen zur Strommessung an. Zusätzliche Stromsensoren sind dadurch nicht erforderlich. Bei der Produktfamilie Semix handelt es sich um IGBT-Module in Halbbrücken- oder Chopper-Topologie für 1200 oder 1700 V bis 600 A. Die Module mit einer Bauhöhe von 17 mm entsprechen dem Industriestandard für mittlere bis hohe Leistungen. Durch die Verwendung von Press-Fit-Kontakten für die Hilfsanschlüsse erfolgt die Montage komplett lötfrei. In Verbindung mit Semix-Brückengleichrichtern in gleicher Bauform bietet das System sehr hohe Performance bei optimierten Systemkosten.

Neben den deutlich geringeren Kosten bietet die Strommessung über die integrierten Shunt-Widerstände auch erhebliche Vorteile bei Messgenauigkeit und Bandbreite der Messwerte. Die Shunt-Widerstände bestehen aus einer speziellen Legierung, die bis zu einer Betriebstemperatur von 250°C eingesetzt werden kann. Durch die geringe Temperaturabhängigkeit sowie die hohe Linearität des Shunt-Widerstandes eignet sich dieses IGBT-Modul sehr gut für anspruchsvolle Regelungsaufgaben aufgrund der äußerst präzisen Feedback-Signale.

Angesichts des geringeren Bauteilaufwands und der Einfachheit der Komponenten reduziert sich auch die Ausfallrate im Vergleich zu konventionellen Umrichtersystemen mit Stromwandler. Zudem wird die bei stromkompensierten Sensoren limitierte Überlastfähigkeit durch die Shunts deutlich übertroffen. Die intelligente Integration der Widerstände in das Leistungsmodul benötigt keinen zusätzlichen Bauraum und das Shunt-Modul bietet die gleichen Leistungsdaten wie baugleiche Module ohne integrierte Messwiderstände.

Integrierte Signalübertragung auf Treiberbaustein

Das Semix 3 Press-Fit-Shunt-Evaluation-Kit mit dem Treiber Skyper 12. Semikron

Allerdings bringt die Integration der Strommessung auch Herausforderungen mit sich. So wird nun anstatt des galvanisch getrennten Signals eines Stromwandlers eine Spannung auf Zwischenkreispotenzial gemessen. Bevor ein übergeordneter Regler diese Spannung weiterverarbeiten kann, müssen zunächst eine Isolierung und eine Digitalisierung stattfinden. Diese Aufgabe übernimmt der Treiber Skyper 12 in Verbindung mit einem Delta-Sigma-Modulator. Der Treiber auf ASIC-Basis übernimmt die sichere und optimierte Ansteuerung im erlaubten Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA) sowie die Auswertung der Zwischenkreisspannung und der im Modul integrierten Temperaturmessung und stellt diese als sicher galvanisch getrenntes Signal dem Controller zur Verfügung.

Zur Evaluierung von Semix 3 Press-Fit-Shunt-Systemen bietet Semikron eine Adapterplatine, die den Skyper 12 an das Modul anbindet. Durch Integration aller erforderlichen Spannungsquellen und des Signal- und Fehlermanagements in die ASICs ließ sich die Anzahl der Einzelkomponenten am Treiber um 30 Prozent reduzieren, was die Lebensdauer abhängig vom Lastprofil um bis zu 20 Prozent erhöht. Dadurch erreicht der Treiber eine MTBF-Rate von über acht Millionen Stunden. Die beiden rein digitalen ASIC-Bausteine sind jeweils auf Primär- sowie Sekundärseite eingesetzt und verzichten auf analoge Filterbausteine. Das führt zu einer optimierten Signallaufzeit und der zeitliche Versatz der Signale reduziert sich auf unter 30 ns. Äußerst hohe Temperaturstabilität und verminderte Störanfälligkeit gewährleistet die metallische Schirmung der ASIC-Gehäuse. Eine serielle Schnittstelle im UART-Standard sowie ein differenzielles Signal verbinden den Treiber mit der übergeordneten Steuerung.

Semix 3 mit voraufgetragenem Wärmeleitmaterial PCM (Phase-Change-Material). Semikron

Der IC-basierende Delta-Sigma-Modulator, welcher sich auf der Adapterplatine befindet, wandelt das Spannungssignal des Shunts in ein digitales Differentialsignal mit 20 MHz Taktfrequenz um, was die hohe Genauigkeit der Strommessung unterstreicht. Dadurch ergeben sich auf dem weiteren Signalweg bis zur übergeordneten Steuerung keine Messwertabweichungen durch Wandler- oder Bauteiltoleranzen. Die Versorgung des Delta-Sigma-Modulators erfolgt durch die Sekundärseite des Treibers. Je nach gewähltem Modulator-IC erfolgt die sichere Potenzialtrennung entweder kapazitiv oder optisch.

Durch die Verwendung des Pakets aus Semix 3 Press-Fit Shunt sowie den dafür optimierten Skyper 12 verkürzen sich die Entwicklungszeiten sehr stark, da es während der Systementwicklung zu keinen Design-Schleifen kommt. Auch der Fertigungsprozess lässt sich durch die verwendete Press-Fit-Technologie optimieren. Es muss lediglich das Treiberboard auf das Modul gepresst werden, und alle Strom-, Spannungs-, und Temperaturmesssyteme sind montiert. Zusätzliche Platinen zur Signalaufbereitung sind nicht erforderlich, was die Herstellkosten reduziert, bei gesteigerter Qualität und FIT-Rate.

Voraufgetragenes Phase-Change-Material

Blockschaltbild des Delta-Sigma-Modulators mit kapazitiver Potenzialtrennung. Semikron

Die finale Stufe der Integration bietet das vorab aufgetragene Wärmeleitmaterial. Hierbei wird Phase-Change-Material (PCM) verwendet, das sich bei Raumtemperatur in festem und daher verwischfreiem Zustand befindet. Im Vergleich zu viskosen Wärmeleitpasten ermöglicht dies eine maximale Prozesssicherheit bei der Montage der Module. Das auf die Modulbodenplatte abgestimmte Druckmuster des PCM wird über ein Siebdruckverfahren aufgebracht und garantiert damit eine sehr gute Verteilung des Wärmeleitmaterials. Dies resultiert in einem um 10 Prozent niedrigeren Wärmewiderstand und damit niedrigeren Sperrschichttemperaturen während des Betriebs. Eine höhere Lebensdauer des Moduls oder ein erhöhter Ausgangsstrom und damit auch eine höhere Leistungsdichte sind die positiven Folgen.

(ah)