März 2016

Referenzdesign für Umrichter

Erste Komplettlösung für E-Mobility und Industrial

Infineon Technologies hat gemeinsam mit TDK eine Komplettlösung für Umrichter entwickelt, die in der E-Mobilität und in Industrie-Anwendungen eingesetzt werden sollen. Das Design versetzt Entwickler in die Lage, Antriebskonzepte schnell und einfach zu testen und zu realisieren.

Für elektrische Antriebe werden für industrielle Anwendungen hauptsächlich Asynchronmotoren verwendet, und für Automotive-Antriebe kommen permanenterregte Synchronmotoren zum Einsatz. Die Hersteller begrenzen die Motoren für Industrie wie auch Automotive-Anwendungen auf einen maximal zulässigen Spannungsanstieg (dU/dt) an den Inverter-Klemmen von rund 5kV/µs (gemäß IEC 60034-18-41). Grund für diesen Grenzwert ist die Isolationsfestigkeit der Wicklungen. Beim Inverter-Betrieb dieser Motoren treten bedingt durch die parasitären Kapazitäten der Wicklungen in Verbindung mit dem dU/dt des Inverters hohe Ableitströme gegen Masse auf, die zur Funkenbildung in den Lagern und zu Oberflächenerosion führen können und somit die Lebensdauer der Lager stark begrenzen.

Um eine hohe Energieeffizienz zu erzielen, werden die Leistungshalbleiter der Inverter mit Schaltfrequenzen im Bereich zwischen 4 kHz und 15 kHz betrieben, was durch die benötigte Flankensteilheiten bei den Schaltfrequenzen dazu führt, dass Harmonische mit großer Amplitude im Frequenzbereich um 1 MHz auftreten. Dies wiederum hat bei Automotive-Anwendungen Störungen im Mittelwellen-Band (526,5 kHz bis 1606,5 kHz) zur Folge, die den Empfang im Auto nahezu unmöglich machen.

Verbesserungen durch Neuentwicklung

Um einen motorschonenden und EMV-gerechten Inverter anbieten zu können, haben Infineon und TDK Schlüssel-Komponenten neu entwickelt, sorgfältig aufeinander abgestimmt und damit den bisherigen HybridPACK™ HP 1 verbessert. Neben Verwendung der neuesten IGBT3-Chip-Generation mit erhöhter Durchbruchspannung von 705 V kommen – statt bisher 2 – nun 6 DC-Anschlüsse zum Einsatz (Abbildung 1). In Verbindung mit dem modifizierten EPCOS DC-Link-Kondensator konnte dadurch der ESL im DC-Link-Kreis von typisch 30 nH auf rund 15 nH nahezu halbiert werden. Dementsprechend verringert sich die generierte Überspannung beim Abschalten der IGBTs unter vollem Nennstrom (400 A) deutlich: von 500 V auf 420 V (Abbildung 2).

Abbildung1: IGBT-Modul HybridPACK1-DC6

Das neue HybridPACK1-DC6 ist für 705 V und 400 A ausgelegt. Durch die 6 Anschlüsse der DC-Busbar ist dieses Design sehr niederinduktiv.

Durch die vier zusätzlichen DC-Anschlüsse wird die Stromtragfähigkeit des Moduls in Verbindung mit der Stromschiene am EPCOS DC-Link-Kondensator erweitert. Damit ist das neue HybridPACK1-DC6 Modul auch für zukünftige effizientere IGBT-Technologien mit höherer Stromtragfähigkeit gerüstet. Bestehende Anwendungen, die auf dem aktuellen HybridPACK1 mit zwei DC-Anschlüssen beruhen, können mit der neuen Variante einfach in ihrer Leistungsfähigkeit erweitert werden, da die Abmessungen im Vergleich zur Vorgängerversion weitgehend beibehalten werden. Dadurch lässt sich eine gute Skalierbarkeit für verschiedene xEV-Anwendungen erzielen.

Die Vorgängerversion HybridPACK1 mit zwei DC-Anschlüssen erreicht durch eine im Gehäuse des Moduls liegende Stromschiene einen sehr kompakten Aufbau, was in der neuen Version aus Gründen der Kompatibilität beibehalten wurde. Durch eine äußere Stromschiene – wie auch beim neuen EPCOS DC-Link-Kondensator –lässt sich der Strom in der DC-Versorgung des Moduls aufteilen und dadurch eine bessere Ausnutzung des Moduls erreichen. In Abbildung 2 rechts ist beim Nennstrom der Strom von 400 A durch die innere Stromschiene dargestellt.

Abbildung 2: Deutliche Senkung der Überspannung

Dank der geringeren Spannungsspitzen beim Schalten werden IGBT-Modul und Motor geschont.

EPCOS DC-Link-Kondensatoren sorgen für Ruhe im Zwischenkreis

Eine weitere Neuentwicklung ist der EPCOS DC-Link-Kondensator B25655P4477J. Er ist hinsichtlich seiner Anschlüsse genau auf die Stromschiene des IGBT-Moduls abgestimmt. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung der bisherigen EPCOS-Kondensatoren für die HybridPACK- und EASY-Serien von Infineon. Der Kondensator hat eine Kapazität von 470 µF, ist mit Nennspannungen von 450 V DC oder 500 V DC verfügbar und zeichnet sich durch Abmessungen von nur 154 x 72 x 50 mm³ aus. Grundlage des platzsparenden Designs ist die PCC-Technologie (Power Capacitor Chip), bei der eine gestapelte Folie zum Einsatz kommt und die einen Füllfaktor des Kondensatorgehäuses von nahezu 1 ermöglicht. Alternativ wird auch eine Flachwickel-Variante mit 380 µF (B25655P4387J) hergestellt. Beide Kondensatoren-Typen sind jeweils mit oder ohne direkte Anbindung an einen EMV-Filter lieferbar.

Abbildung 3: Platzsparender EPCOS Zwischenkreiskondensator

Dank der PCC-Technologie wird ein Füllfaktor von fast 1 erreicht.

Hohe EMV-Performance trotz ungeschirmter Leitung

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

Die EPCOS Hochvolt-DC-Filter der Serie P100316* (Abbildung 4) sind für eine maximale Spannung von 600 V DC ausgelegt und entsprechen damit den typischen Spannungen, die von Hochvolt-Batterien bereitgestellt werden. Die Stromtragfähigkeiten der Filter liegen bei 150 A DC oder 350 A DC, wodurch selbst Antriebssysteme mit Leistungen bis etwa 100 kW befiltert werden können. Der Gleichstromwiderstand liegt für alle Typen bei nur 0,05 mΩ, so dass auch bei hohen Strömen keine nennenswerten Verluste auftreten.

Abbildung 4: EPCOS Hochvolt- DC-Filter für Automotive-Inverter

Die Anschlüsse der DC-Hochvolt-Filter-Version P001316* sind so geformt, das sie direkt mit dem EPCOS DC-Link-Kondensator verbunden werden können. Neben platzsparendem Design ergeben sich elektrische Vorteile wie geringe Induktivität und Übergangswiderstände.

Die Wirksamkeit der Filter ist so hoch, dass auf den üblichen Einsatz geschirmter Leitungen zwischen Batterie und Inverter verzichtet werden kann (Abbildung 5). Dies bringt nicht nur Kosten- und Gewichtsvorteile, sondern sorgt auch für höhere Langzeitstabilität, da eine aufwändige und störanfällige Schirmanbindung entfallen kann.

Abbildung 5: Emissionen bei Verwendung des EPCOS Hochvolt-DC-EMV-Filters

Deutlich zu erkennen: Durch den Einsatz des neuen EMV-Filters zwischen Batterie und Inverter werden besonders die leitungsgebundenen Emissionen – trotz Verwendung eines ungeschirmten Kabels – drastisch gesenkt.

Trotz Verwendung einer ungeschirmten Leitung konnten mit Hilfe der neuen EPCOS Hochvolt-Gleichstrom-EMV-Filter besonders die leitungsgebundenen Emissionen um bis zu 70 dB oder einen Faktor von 3000 reduziert werden. Doch das ist nicht der einzige Vorteil: Der bisher übliche Aufwand für EMV-Maßnahmen in den einzelnen Systemkomponenten kann ebenfalls deutlich gesenkt werden.

Neben den herausragenden elektrischen Werten überzeugen die Filter auch durch geringes Gewicht und kompakte Abmessungen – und damit bei technischen Merkmalen, die für den Einsatz in Fahrzeugen entscheidend sind: Die Abmessungen variieren typenabhängig zwischen 186 x 65 x 65 mm³ und nur 121 x 52 x 52 mm³. Neben den Ausführungen mit genereller Gleichtaktunterdrückung sind auch Typen verfügbar, die im Langwellenspektrum zwischen 150 kHz und 300 kHz eine besonders hohe Filterwirkung aufweisen.

EPCOS Ferritkerne erhöhen die Lebensdauer von Motoren

Am Ausgang des Inverters treten durch die steilen Schaltflanken Spannungsspitzen auf, die durch die parasitäre Induktivität der Motorleitungen noch überhöht werden können. Unter ungünstigen Umständen können die Spannungsspitzen zu Überschlägen in den Motorwicklungen führen und diese zerstören. Gleichzeitig führt die Schaltfrequenz des Inverters zu höherfrequenter Beaufschlagung der parasitären Kapazitäten zwischen den Wicklungen und Gehäusen (Massepotential) der Motoren. Dies wiederum führt zu Ableitströmen, die durch die Motorlager fließen und Funkenbildung verursachen.

Abhilfe schaffen Ferrit-Ringkerne am Ausgang des Inverters, durch die die Motorleitungen geführt werden. Auch Gleichtaktstörungen werden durch ein verringertes dU/dt deutlich reduziert und Ableitströme werden auf ein unkritisches Niveau gesenkt. Somit ist sichergestellt, dass die Störgrenzen der Klasse I und III eingehalten werden (Abbildung 6). TDK bietet diesbezüglich ein breites Spektrum an EPCOS Ringkernen der Serie B64290L* in unterschiedlichen Abmessungen und Ferritmaterialien, die jeweils für bestimmte Frequenzbereiche und Temperaturen optimiert sind und auf jedes Antriebssystem abgestimmt werden können. Empfohlen werden hier Materialien wie T65, N30, N87, welche auch für EPCOS-EMV-Drosseln Verwendung finden.

Abbildung 6: Dämpfung von Gleichtaktstörungen

Mit EPCOS Ferrit-Kernen werden die Störgrenzen der Klassen I und III eingehalten.

Darüber hinaus wurde ein Treiber-Board für das HybridPACK1-DC6-Modul entwickelt, das auf den bewährten Infineon Gate-reibern der Serie 1ED020I12FA2 basiert und eine effiziente und EMV-gerechte Ansteuerung bietet, um die Vorteile dieser neuen Konfiguration einfach umsetzen zu können. So erhält der Anwender eine einfach umzusetzende und skalierbare Komplettlösung. Dadurch ist es erstmals gelungen eine Leistungsendstufe bestehend aus IGBT-Modul, DC-Link-Kondensator, EMV-Filter und Gate-Ansteuerung anzubieten, in der die Notwendigkeiten der EMV-Maßnahmen von Anfang an berücksichtigt werden.

Bill of Material des Umrichters

IDType / ValueOrdering codeManufacturer
IGBT module HybridPACK1-DC6705 V / 400 AFS400R07A3E3Infineon
Gate driver IC1ED020I12FA2Infineon
DC link capacitor470 µF / 450 V or
380 µF / 450 V
B25655P4477J (stacked)
B25655P4387J (flat winding)
EPCOS
EMC filter600 V / 150 AP100316-P001EPCOS
Ferrite coresRing coresB64290* seriesEPCOS
InductorsCommon-mode choke
0.7 mH/4 A
B82721A2402N020EPCOS
Gate drive transformerB78307A2276A003EPCOS
CapacitorsSeveral MLCCsTDK

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