Aus den vielfältigen Einsatzgebieten und Topologien technologischer und medizintechnischer Stromquellen resultieren sehr unterschiedliche Anforderungen an die Leistungshalbleiter hinsichtlich Sperrspannung, Durchlassstrom und Schalteigenschaften.

Induktive Erwärmung

Die  induktive Erwärmung für Prozesse wie z. B.  Schmelzen, Glühen, Härten, Löten, Schmieden, Verdampfen oder die Halbleiterherstellung erfordert Stromquellen im Leistungsbereich von etwa 1 kW bis 20 MW mit Taktfrequenzen zwischen 100 Hz und 3 MHz auf unterschiedlichen Spannungsebenen.

Plasmaanlagen

Stromquellen für Plasmaanlagen erzeugen – je nach Einsatzgebiet –  reinen oder im Bereich bis zu einigen zehn kHz gepulsten Gleichstrom. Der Ausgangsspannungsbereich liegt zwischen 300 V und mehreren kV bei Leistungen zwischen 1 kW und mehreren hundert kW. Wesentliche Anwendungen sind Oberflächenbeschichtungen, z. B. von Solarzellen, Architekturglas und Metall.

Lasertechnik

In der Lasertechnik werden die Anforderungen an die Stromquelle durch Prinzip und Leistung der Lichtquelle bestimmt. Eine Stromquelle zur Ansteuerung einer Laserdiode muss z. B. Impulse von 30 V, 50 A mit einer Taktfrequenz zwischen 200 kHz und 1 MHz erzeugen.

Medizinische Diagnosesysteme

Einen hohen Energiebedarf haben moderne medizinische Diagnosesysteme wie MRT, CT und Röntgengeräte. Hier bestehen besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Schalteigenschaften der Leistungshalbleiter. Die benötigte Hochspannung von z. B. 120 kV für ein CT-Gerät wird beispielsweise durch einen mit 100 kHz resonant schaltenden Wechselrichter aus 700 V bis 800 V Gleichspannung erzeugt. Mit der Höhe der Schaltfrequenz verbessert sich das Diagnoseergebnis, gleichzeitig sinken Gewicht und Größe des Gerätes.

Topologien für Lichtbogenschweißen und Widerstandsschweißen

Im Folgenden werden beispielhaft ausgewählte Standard-Topologien und die wichtigsten Anforderungen an Leistungstransistoren, Thyristoren und Dioden in Stromquellen für das Lichtbogenschweißen und das Widerstandsschweißen beschrieben.

Elektroschweißen

Stromquellen für das Elektroschweißen als klassisches Einsatzgebiet für Leistungshalbleiter in elektrotechnologischen Stromquellen müssen bei kleiner Ausgangsspannung einen hohen Gleichstrom liefern. Abhängig vom Prozess gibt es unterschiedliche Anforderungen an Restwelligkeit und Regelgenauigkeit des Schweißstroms und somit auch an die Eigenschaften der eingesetzten Leistungshalbleiter. Da Schweißen fast immer ein intermittierender Prozess mit hohen Leistungsspitzen ist, bestehen generell sehr hohe Anforderungen an die Lastzyklenfestigkeit der Leistungshalbleiter.

Schweißstromquellen für Lichtbogenschweißen

Die einfachste Topologie eines Schweißstromquelle für Lichtbogenschweißen besteht aus einem ein- oder dreiphasigen Netztransformator und einem ein- (B2) oder dreiphasigen (B6) Schweißgleichrichter mit nachgeschalteter Drossel. Eine Stromregelung ist nur möglich, wenn der Gleichrichter mit Thyristoren realisiert oder dem Transformator ein zusätzlicher Wechselstromsteller vorgeschaltet wird. Regeldynamik und Stromwelligkeit sind durch die Netzfrequenz vorgegeben.

Deutlich bessere Schweißergebnisse bei höherem Wirkungsgrad, kleineren Abmessungen und geringerem Gewicht werden mit primär- oder sekundärseitig getakteten Schweißstromquellen erzielt, für die unterschiedliche Topologien angewandt werden. Stellglieder für den Energiefluss sind hier IGBTs oder Leistungs-MOSFETs in diskreter oder Modulbauform, an die Forderungen wie hohe Lastzyklenfestigkeit und niedrige Verluste stehen, um mit möglichst niedrigem Kühlaufwand bei Taktfrequenzen zwischen 10 kHz und 100 kHz zu schalten. Schweißumrichter wandeln den aus dem 230 V- oder 400 V-Netz entnommenen Strom über den Umweg eines zwischenspeichernden Gleichspannungs-Zwischenkreises in den Schweißstrom um.

Prinzipschaltbild einer sekundärseitig getakteten Schweißstromquelle

Sekundärseitig getaktete Schweißstromquelle (Chopper)

Wie beim Schweißgleichrichter wird zunächst die Ausgangsspannung des Netztransformators gleichgerichtet, durch Zwischenkreiskondensatoren geglättet und damit von der Netzfrequenz entkoppelt. Die Stromregelung erfolgt über den ausgangsseitigen DC-Chopper, der typischerweise aus einem Leistungs-MOSFET-Modul mit Freilaufdiode besteht. Die Eigenschaften des MOSFETs mit maximal 200 V Sperrspannung lassen hohe Taktfrequenzen (40 Hz bis 100 kHz) zu, was eine hohe Regeldynamik und sehr geringe Welligkeit des Schweißstroms bis etwa 1.000 A @ 125 ms Einschaltzeit ermöglicht. 

Prinzipschaltbild einer primärseitig getakteten Schweißstromquelle

Primärseitig getaktete Schweißstromquelle (Schweißinverter)

Auch hier wird die Netzspannung mit einer ungesteuerten B6-Brücke gleichgerichtet, die aber direkt an das Netz angeschlossen ist, womit der material-, gewichts- und volumenintensive Netztransformator entfallen kann. Die Gleichspannung wird ebenfalls durch Zwischenkreiskondensatoren geglättet. Ein einphasiger Wechselrichter aus zwei IGBT-Halbbrückenmodulen wandelt die Gleichspannung anschließend in Wechselspannung mit 20 kHz bis 30 kHz Taktfrequenz um. Über den nachgeschalteten Transformator – der aufgrund der hohen Schaltfrequenz deutlich kleiner, leichter und billiger als ein Netztransformator ist – erfolgt die Spannungsanpassung an den Schweißprozess.

Prinzipschaltbild einer Mittelfrequenzstromquelle für das Widerstandsschweißen

Schweißstromquellen für Widerstandsschweißen

Beim Widerstandsschweißen, z. B. dem Punktschweißen, werden die überlappenden, 0,5 bis 3,0 mm dicken Einzelbleche mit Elektroden zusammengepresst, durch einen kurzen Stromstoß auf Schmelztemperatur gebracht und verschweißt. Heute wird nahezu ausschließlich das Mittelfrequenz-Widerstandsschweißen mit Ausgangsfrequenzen um 1 kHz angewendet.

Die topologischen Unterschiede zur Lichtbogenschweißquelle resultieren in erster Linie aus Anforderungen des wesentlich höheren Schweißstroms von bis zu 120.000 A bei 10 % Einschaltdauer. Hauptvorteil gegenüber dem 50-Hz-Schweißen ist ebenfalls das wesentlich niedrigere Gewicht des Transformators, z. B. wenn die Schweißgeräte wie in der Fahrzeugindustrie an Roboterarmen angebracht sind.

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