Eckdaten

Die genaue Berücksichtigung der Koppelkapazität, der Teilentladungseigenschaften und des Designs der Gleichspannungswandler ermöglichten die Entwicklung eines hochzuverlässigen IGBT-Leistungswandlers.

Bereits viele weltberühmte Superbike-Meisterschaften wie die TT Races auf der Isle of Man richten inzwischen auch Wettbewerbe speziell für Superbikes mit Elektroantrieb aus. Die äußerst dynamischen und rauen Umgebungsbedingungen solcher Rennen stellen ganz spezifische Herausforderungen an die Entwicklung dieser technisch hochkarätigen, elektrisch betriebenen Motorräder. Nicht nur das Design muss extremen Vibrationen, Stößen und Temperaturen standhalten, auch die elektronischen Schaltungen und Bauteile und der Motor werden mit diesen rauen Bedingungen konfrontiert. Hinzu kommt, dass für Akku, Elektronik und Motor sehr wenig Platz zur Verfügung steht. Die erforderliche Zwangsbelüftung einiger wichtiger Bauelemente ist eine weitere Design-Herausforderung für die Entwickler.

Bild 1: Prinzipschaltbild des Leistungswandlers.

Bild 1: Prinzipschaltbild des Leistungswandlers. Murata

Bild 2: IGBT-Treiberschaltung.

Bild 2: IGBT-Treiberschaltung. Murata

Bild 4: Verwendung eines Optokopplers zum Schließen des Regelkreises für die sekundärseitige Spannung.

Bild 4: Verwendung eines Optokopplers zum Schließen des Regelkreises für die sekundärseitige Spannung. Murata

Bild 5: Schema der primärseitigen Regelung.

Bild 5: Schema der primärseitigen Regelung. Murata

Bild 6: Die Gewinner des Isle of Man TT Zero-Rennens 2016 (von links): Daley Mathison, UoN/Murata (Dritter Platz); Bruce Anstey, Mugen/Honda (Erster Platz); William Dunlop, Victory (Zweiter Platz).

Bild 6: Die Gewinner des Isle of Man TT Zero-Rennens 2016 (von links): Daley Mathison, UoN/Murata (Dritter Platz); Bruce Anstey, Mugen/Honda (Erster Platz); William Dunlop, Victory (Zweiter Platz). Murata

Im Jahr 2015 gründete die Universität Nottingham ein Rennteam für Superbikes mit Elektroantrieb, um diese Herausforderungen fakultätsübergreifend anzugehen. Das Superbike des Teams wiegt 245 kg und erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 350 km/h. Mit einer Kapazität von 12,5 kWh stellt der Akkusatz eine Spannung von 500 VDC zur Verfügung und liefert eine Spitzenleistung von 240 kW. Für die Ansteuerung des Drehstrommotors ist der in Bild 1 gezeigte Leistungswandler zuständig. Die Endstufen des Hochleistungswechselrichters sind mit IGBTs bestückt, die den Motor mit einer Spitzenspannung von 500 VDC versorgen. Gatetreiber-ICs, die von isolierten Gleichspannungswandlern mit Strom versorgt werden, steuern die IGBTs an (Bild 2). Unter dynamischen Fahrbedingungen wechselt die am Motor liegende Spannung fortlaufend zwischen 0 und 500 V, wobei die IGBT-Ansteuerspannungen auf Anstiegsgeschwindigkeiten bis zu 10 kV/µs kommen. Diese widrigen elektrischen Bedingungen können zu verschiedenen Ausfällen führen. Deshalb ist die Isolation der niedrigen Steuerspannungen von den hohen Ausgangsspannungen ein Muss. Außerdem ist es erforderlich, die kapazitive Kopplung zwischen Ausgang und Eingang auf ein absolutes Minimum zu begrenzen. Aufgrund des sehr hohen elektrischen Störaufkommens reduziert die Minimierung der Kopplungseffekte die Wahrscheinlichkeit, dass elektromagnetische Störgrößen in die Eingangsstufe zurückgelangen. Anderenfalls könnten die IGBTs fehlerhaft getriggert werden, was katastrophale Auswirkungen für Fahrzeug und Fahrer zur Folge hätte.

Hohe Spannungsspitzen überstehen

Bei der Entwicklung der Gatetreiberschaltungen mussten die Ingenieure sicherstellen, dass die verwendeten Gleichspannungswandler äußerst zuverlässig sind und bei Belastung nicht ausfallen. Die Hersteller prüfen ihre Produkte in der Regel mit einem Flash- oder Hipot-Test auf ein mögliches Versagen der Isolationswerkstoffe. Dieser weithin anerkannte Test prüft, ob die Bauelemente hohe Spannungsspitzen überstehen. Allerdings liefert er keine Aussage über die Beständigkeit des Bauteils gegenüber dauerhaft hohen Spannungen.

Murata Power Solutions lieferte die Gleichspannungswandler für die Stromversorgung der IGBT-Treiber. Um die Wandler für reale Treiberanwendungen mit hohen Spannungen zu optimieren, entschied sich Murata für eine als Teilentladungscharakterisierung bezeichnete Methode. Bei Teilentladungen handelt es sich um örtlich begrenzte Entladungen in Kavitäten, kleinen Luftspalten oder Hohlräumen, die sich im Isolationsmaterial befinden. Diese Entladungen können mit der Zeit die chemische Zusammensetzung des Isolationswerkstoffs verändern und dadurch schließlich einen Totalausfall hervorrufen (Bild 3).

Gemäß der international anerkannten Norm IEC 60270 wird mithilfe von Teilentladungsprüfungen die genaue Spannung ermittelt, bei der eine Teilentladung zuerst auftritt. Diese Einsetzspannung muss so hoch wie möglich sein, damit im normalen Betrieb keine Schäden auftreten. Ist die Einsetzspannung bekannt, kann man dafür sorgen, dass diese während des Betriebs niemals erreicht wird. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit eines zukünftigen Totalausfalls durch Versagen der Isolation ganz entscheidend.

Kein Risiko von Teilentladungen

Bei den für die Elektromotorräder der Universität Nottingham geprüften Gleichspannungswandlern handelt es sich um die Typen MGJ3 und MGJ6 von Murata Power Solutions. Wie die Tests ergaben, eignen sich die Wandler für die meisten gängigen Treiber-Anwendungen mit Spannungen bis zu 3 kV, ohne dass ein Risiko für das Auftreten von Teilentladungen besteht.

Um sicherzustellen, dass die verwendeten Gleichspannungswandler zuverlässig sind und eine geringe Koppelkapazität aufweisen, mussten die Bauteile speziell für den Einsatz in diesen IGBT-Gatetreiber-Anwendungen mit ihren steilen Spannungsspitzen konzipiert werden. Normalerweise kommen in Gleichspannungswandlern Optokoppler zum Einsatz, um den Regelkreis für die sekundärseitige Spannung zu schließen (Bild 4). Diese Technik bringt es auf äußerst gute Netz- und Lastregeleigenschaften (meist bis ±1 %), jedoch lässt die Zuverlässigkeit von Optokopplern unter dem Einfluss steiler Spannungsspitzen zu wünschen übrig. Zudem schaffen Optokoppler prinzipbedingt eine weitere Verbindung zwischen Eingang und Ausgang und erhöhen dadurch die Koppelkapazität. Da sich ihre Performance-Eigenschaften außerdem mit der Zeit verschlechtern, reduzieren Optokoppler die Lebensdauer des Designs.

Bild 5 illustriert eine alternative Lösung, bei der eine zusätzliche Primärwicklung im Übertrager des Gleichspannungswandlers die Feedback-Information liefert. Die Lastregelung ist bei diesem Verfahren nicht so genau (sie liegt typisch bei ±5 %), dies reicht jedoch für gewöhnlich aus, da die Last der IGBTs in dieser Anwendung relativ konstant ist. Kommt anstelle eines Optokopplers die primärseitige Regelung zum Einsatz, entfällt ein für diese Anwendung nicht besonders geeignetes Bauelement. Bessere Zuverlässigkeit und geringere Koppelkapazität sind weitere positive Auswirkungen.