CeraLink ermöglicht kompakte und flexible Motor-Inverter

Scienlab electronic systems hat einen neuen Motor-Inverter entwickelt, der sich durch ein kompaktes Design mit hoher Leistungsdichte auszeichnet. Der Inverter lässt sich flexibel an ein breites Spektrum von Anforderungen anpassen. Möglich wurde diese Entwicklung durch den Einsatz von CeraLink™ Kondensatoren im Zwischenkreis.

Die E-Mobilität nimmt weiter Fahrt auf. Entsprechend werden immer mehr Fahrzeuge mit energieeffizienten und emissionsfreien Antrieben ausgestattet. Neben Personenkraftwagen gehören dazu auch kleinere Nutzfahrzeuge oder Flurförderzeuge wie Gabelstapler und automatische Transportsysteme in der Industrie.

Entsprechend steigt der Bedarf an kompakten, leichten und gleichzeitig leistungsstarken Antrieben für diese Fahrzeuge an.

Innovatives Inverter-Design

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat die Scienlab electronic systems, ein Spezialist für Leistungselektronik mit Sitz in Bochum, einen Inverter mit einem Volumen von nur 2 Litern entwickelt. Das Gerät hat eine Nennleistung von 40 kW und ist für Betriebsspannungen von 290 V DC bis 420 V DC ausgelegt. Damit eignet sich dieser Inverter für eine breite Palette von Anwendungen, zu denen auch die oben genannten zählen. Die Hardware- und Software-Strukturen des Inverters erlauben eine sehr hohe Dynamik der Ausgangsströme und somit auch eine sehr dynamische Fahrzeugleistung.

Das Design des neuen Motor-Inverters umfasst die vier Hauptfunktionseinheiten Steuerkreis, Treiber, Leistungselektronik und das robuste Gehäuse mit den Anschlüssen. Der Inverter ist mit einem IGBT-Modul mit einer vollgesteuerten Dreiphasen-Brückenschaltung (B6) ausgestattet, während der Zwischenkreis als Voraussetzung für das kompakte Design mit innovativen CeraLink-Kondensatoren realisiert wird (Abbildung 1). Aufgrund seines modularen Designs lässt sich der Inverter an kundenspezifische Leistungsanforderungen anpassen. Beispielsweise kann mit nur minimalen Veränderungen an der Treiberplatine ein leistungsstärkeres IGBT-Modul eingesetzt werden. Auch lässt sich die eigenständige Zwischenkreis-Platine einfach mit einer größeren Anzahl von CeraLink-Kondensatoren erweitern. Dabei sind am Steuerkreis keine Änderungen erforderlich. Zudem wurde die Software des Inverters auf Basis eines Controllers für Automotive-Anwendungen mit einer Toolchain realisiert. Dieses adaptive Entwicklungsverfahren ermöglicht kundenspezifische Softwareanpassungen ohne tiefe Eingriffe in die Softwarestruktur.

Leistungsmerkmale des Inverters

Damit sich der Inverter für E-Mobilitätsanwendungen eignet, können für das neue Design nur Automotive-qualifizierte Bauelemente verwendet werden, die außerdem sehr kompakt sein müssen, um die erforderliche Leistungsdichte zu erreichen.

Scienlab erfüllt diese Anforderungen durch den Einsatz eines wassergekühlten IGBT-Moduls mit kleiner Chip-Fläche. Auch die Konfiguration der Controller- und Treiber-Platine wurde auf geringen Flächenbedarf optimiert. Besondere Aufmerksamkeit hat Scienlab dem Volumen und der Leistung des Zwischenkreises als einer der größten Baugruppen des Inverters gewidmet.

Kompakter und flexibler Zwischenkreis dank CeraLink

Scienlab hat sich für CeraLink-Kondensatoren für den Zwischenkreis entschieden, die sich durch eine sehr hohe Kapazitätsdichte von bis zu 5,5 µF/cm³ auszeichnen (Abbildung 2). „Im Vergleich zu anderen Kondensatortechnologien bietet CeraLink die beste Kombination aus Kapazitätsdichte und Wechselstrombelastbarkeit“, erklärt Dr.-Ing. Christoph Dörlemann, Managing Director bei Scienlab. Damit sind kompakte Gehäuseabmessungen möglich, ohne bei der Leistung im Zwischenkreis Kompromisse eingehen zu müssen. "Und so hebt sich unser Motor-Inverter von anderen Designs ab", sagt er.

Diese neuen Kondensatoren basieren auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate). Im Gegensatz zu konventionellen Keramik-Kondensatoren liegt beim CeraLink das Kapazitätsmaximum bei der Nennspannung und steigt sogar mit zunehmendem Anteil der Ripple-Spannung an. Dank der kompakten CeraLink-Kondensatoren war es möglich, das Volumen des DC-Links im Vergleich zu konventionellen Kondensator-Technologien um den Faktor drei bis vier zu verringern.

Die Kondensatoren sind für eine Betriebstemperatur von -40 bis +125 °C ausgelegt und können kurzzeitig auch mit 150 °C beaufschlagt werden. Der Einsatz mehrerer einzelner Kondensatoren erlaubt nicht nur eine größere Flexibilität in der Anordnung der Bauelemente, sondern vergrößert auch die Oberfläche der Kondensatoren, wodurch die Wärmeableitung verbessert wird. Damit ist es möglich, selbst bei hohen Umgebungstemperaturen passive Kühlverfahren für die Kondensatoren zu nutzen.

Extrem geringer ESR und ESL

Ein weiteres Designziel von Scienlab bestand darin, ESR und ESL im Zwischenkreis so gering wie möglich zu halten. Dazu Dörlemann: „Dank des extrem niedrigen ESL-Wertes von nur 2,5 nH der CeraLink-Kondensatoren konnten wir Spannungsüberhöhungen und hochfrequente Schwingungen beim Schalten der IGBT-Module drastisch verringern und so die Systemleistung des Inverters wesentlich erhöhen.“ Zudem nutzt Scienlab eine speziell entwickelte Multilayer-Platine, um die Kondensatoren mit sehr niedriger Impedanz parallel zu schalten. Der ESR-Wert beträgt bei 1 MHz nur 3 mΩ. Dadurch wird die Verlustleistung und damit die Erwärmung im Zwischenkreis wesentlich reduziert. Der ESR-Wert sinkt sogar mit steigender Frequenz und Temperatur, so dass bei hohen Temperaturen bis 150 °C und bei hohen Schaltfrequenzen ein sehr effizienter Betrieb gewährleistet ist.

Tabelle: TDK CeraLink™ portfolio