Stacks bieten eine qualifizierte, höher integrierte Lösung in der Leistungelektronik
Wie in vielen anderen Bereichen, müssen Marineanwendungen gewisse Umweltauflagen erfüllen. Der Leistungselektronik kommt hier eine Schlüsselrolle für die Optimierung des Energiemanagement zu. Konkret geht es um die notwendige Stromwandlung um Motoren, Generatoren, Batteriespeicher und den Landanschluss zu betreiben. Komplexe leistungselektronische Systeme stellen sich als Stromrichtereinheiten dar, wie zum Beispiel AC/DC, DC/AC, DC/DC und AC/AC. Die Aufkommen komplexer elektrischer Strukturen in Marineanwendungen wird die Notwendigkeit für Stromrichter mit hoher Zuverlässigkeit und einfacher Wartung erhöhen. Hinter der Stromrichtung verbergen sich jedoch eine Vielzahl von technischen Problemen, die Umrichter-Entwickler handhaben müssen. Die Entwicklung von Invertern ist nach wie vor die Sache von Spezialisten. Doch durch die jetzt verfügbaren leistungselektronischen Baugruppen, sogenannte Stacks, können viele der Herausforderungen einfach und schnell gelöst werden.
Vom IGBT Modul zum Wechselrichter
Die Konstruktion eines Umrichters war schon immer ein Kompromiss zwischen den verfügbaren Leistungshalbleiterschaltern, der Wandlertopologie und den Systemanforderungen. Oft sind es mehrere technische Lösungen um das Ziel eines Projekts zu erreichen, vor allem, wenn es um Hochleistungsurmichter geht.Die Hersteller von Leistungshalbleitern sind auf der Suche nach dem perfekten Schalter – einerseits eine hoher Spannung- und Stromtragfähigkeit, andererseits geringe Verluste. Diese Suche wird unterstützt durch Halbleitermaterial- und die Prozessverbesserungen und auch durch neue Topologien wie Multizellen Designs. Die Implementierung von Leistungselektronik in einem Umrichter ist komplexer geworden, da die Systemanforderungen immer strenger werden, in Bezug auf Lebensdauer, Zuverlässigkeit, EMV und Kosten. Neue Materialien (wie Siliziumkarbid) bieten neue Möglichkeiten bei der Gestaltung leistungselektronischer Umrichter. Dennoch bleiben die Grenzen der Physik und es gilt neue Kompromisse zu finden.IGBTs sind derzeit gut in industriellen Anwendungen etabliert. Eine Produktpalette von 600V bis 6500V umfasst Niederspannungs- sowie Mittelspannungsanwendungen. Nach dem Erfolg bei den industriellen Motorantrieben mit der 1200V Technologie, übte die Windindustrie Druck aus bei der 1700V Klasse, was die Chip-Performance in Bezug auf Robustheit und Verlustreduzierung verbesserte.
Anwendungsgebiete von Stacks
Der Grundbaustein von Wechselrichtern ist die Halbbrücke. Es kann entweder ein Leistungsmodul (Transistor und Diode) oder ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) sein, das den Treiber, den Sensor und die Schutzfunktionen in einem einzigen Bauelement vereint. Die SKiiP IPMs von SEMIKRON beinhaltet auch ein eigenes Kühlsystem. Die komplette Leistungseinheit ist konzipiert und optimiert, um ein hohes Maß an Zyklenfestigkeit zu erreichen und somit hohe Zuverlässigkeit. Die integrierten Treiber gewährleisten präzisen Schutz durch die integrierten Sensoren, was die Zuverlässigkeit auf Systemebene erhöht. Das Isolationskonzept ist so ausgelegt und getestet, dass es die industriellen Isolationsanforderungen übersteigt.SKiiP-Module verwenden die neueste IGBT Chip-Technologie und innovative Aufbau Konzepte. Die Chips sind gesintert anstatt gelötet und erreicht damit eine signifikant gesteigerte Wechsellastfähigkeit. Der Treiber verwendet digitale Signalübertragung für Logikimpulse, und auch für Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung, um so eine sichere elektrische Trennung gemäß der Normen zu gewährleisten. Interne Temperatursensoren nahe dem Chip und schnelle Stromsensoren sorgen für einen sicheren Betrieb bis hin zum harten Kurzschluss. Darüber hinaus steht eine CAN-Schnittstelle für Anwendungseinstellungen und für eine detaillierte Diagnose unter Fehlerbedingungen zur Verfügung.Auf Basis dieser IPMs bietet SEMIKRON eine Reihe von Wechselrichter Aufbauten, die so genannten Stacks, mit Wasserkühlung, qualifiziert und fertig zur Verwendung in einem Schaltschrank. Der Anwender benötigt nur noch seine Controller Hard- und Software und kann dadurch die Design In Zeit deutlich verkürzen.Das Konzept erfüllt eine Vielzahl an internationalen Normen, von Motorantrieben zu Solaranwendungen und hat eine strenge Umwelt-Qualifikation durchlaufen einschließlich Mechanik- und Klima -Tests mit Prüfungen zu Transport und Betrieb.
Die Produktpalette der SEMIKRON Stacks, mit für die Schrankintegration optimierter Größe und der Vielfalt von elektrischen Eigenschaften, deckt ein breites Anwendungsspektrum ab. Der Gleichstromzwischenkreis, der spezielle und qualifizierte Folienkondensatoren verwendet, erreicht hunderttausend Stunden Lebensdauer unter Betriebsbedingungen Zusätzlich liefern die integrierten Sensoren des SKiiPs hochgenaue Strom- und Spannungsmessungen wie sie für die Anwendungssteuerung erforderlich sind.Der 690V AC-Umrichter-Stack von SEMIKRON SEMISTACK RE reicht von 1MVA bis 1,5MVA. Mit einem Ausgangsstrom von bis zu 1400A und einem Zwischenkreisniveau von 1250V, enthält er alle Leistungsteile eines Drehstrom-Wechselrichters mit Spannungszwischenkreis und notwendigen Schnittstellen für eine einfache Schrankintegration: AC und DC Anschlüsse, Steuerschnittstelle, Wasseranschluss und mechanische Befestigungen. Mit mehr als 60 Jahren Erfahrung bei Leistungshalbleitern und 30 Jahren in der Stack-Entwicklung ist SEMIKRON in der Lage voll spezifizierte Funktionen, umfangreiche Tests und UL-Zertifizierungen zur Verfügung zu stellen.Für die Ansteuerung des Stacks wird ein Controllerboard benötigt, um daraus einen Umrichter mit speziellen Eigenschaften zu generieren. Enthalten sind bereits die Logiksignale für die unteren und oberen IGBT-Schalter, die Überwachung von Strom, Spannung und Temperatur von jeder Halbbrücke, sowie die Fehlersignale. Beide Wandler sind intern auf der DC-Seite verbunden. Um eine gute Kopplung zwischen den beiden Zwischenkreisen zu gewährleisten und damit die Effizienz maximal zu gestalten, wird eine Verbindung auf der Ober- und Unterseite des Stacks benutzt.
Verschieden Topologien der Stacks bieten minimale Design In Zeit
Die Verwendung von drei-phasigen Stacks ermöglicht es, die Leistung durch Parallelschaltung von Blöcken zu erhöhen. Parallelschaltung von Invertern erfordert besondere Sorgfalt. Zusätzliche Drosseln zwischen den Umrichterausgängen gewährleisten gute dynamische Stromaufteilung. Diese harte Parallelschaltung wird durch die Verwendung einer Parallelsteuerkarte erleichtert, die die Schnittstelle zwischen den Inverterblöcken und der eigentlichen Steuerplatine herstellt, indem sie Logiksignale sammelt und Sensorsignale skaliert. Die Verwendung von Generatoren oder Motoren mit Mehrfachwicklung bietet die Möglichkeit von zusätzlichen parallelen Drosseln abzusehen. Mit der Komplexität von mehreren Steuerkarten ist auch die aktive Parallelschaltung möglich. In einem solchen Multikonverter-System sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Die Steuerungsarchitektur ist ein wichtiger Punkt, da sie getrennte z.B. aufgrund von Redundanzgründen Steuerungen beinhalten kann.Umrichter in Wind-Anwendungen bestehen aus zwei gekoppelten Drehstrom-Wechselrichtern, einer am Netz und der andere verbunden mit dem Generator (AC/DC und DC/AC). Die Entwicklung von Generatoren, beeinflusst durch die Leistungssteigerung und die Wartungskostensenkungsziele, verlagert sich von doppeltgespeisten Generatoren (DFIG) zu Permanentmagnet-Generatoren (PM). Wenn dieser Schritt auch die verwendete Topologie nicht ändert, haben sich doch die Größenverhältnisse verschoben und die Leistungsdichte des Umrichters um ca. 1/3 erhöht. Zusammen mit dem Anstieg der Anlagenleistung der Windenergieanlage bis zu einer Gesamtleistung von 10MW, wächst der Bedarf an Hochleistungswandlern kontinuierlich.
Das folgende Beispiel zeigt, wie ein AC/AC-Wandler, in einem Bereich von 4-5MW mit parallelgeschalteten Stacks aufgebaut sein könnte, und wie die Verbindung realisiert wird. In der ersten Konfiguration wird die Gleichrichterfunktion von parallelgeschalteten Gleichrichter-Stacks (Rectifier) erfüllt, und analog gilt dies für den Wechselrichter (Inverter). Jeder Schrank enthält zwei Stacks. Interessant ist, dass der Wechselrichter und der Gleichrichter die gleichen Stacks verwenden. Die Filter bestehen auf der Einspeiseseite aus einem Netzfilter und auf der Motorseite einem du/dt Filter. Der Netzfilter verwendet zur Stromaufteilung je einen separaten Filter pro Wandler. Zusätzliche Bremschopper sind Teil des Systems. Das Ergebnis zeigt eine gute Trennung der Funktionen - Gleichrichter, Wechselrichter und Filter.
Diese funktionale Trennung erfordert eine solide DC-Verbindung zwischen Gleich- und Wechselrichter, die den gesamten Gleichstrom tragen muss und Gleichstromsicherungen, die den DC-Nennstrom jedes Umrichters trennen können. Die zweite Konfiguration zeigt einen ähnlichen AC/AC-Wandler mit den gleichen Stacks, und auch gleicher Leistung, Filtern und Schränken, aber alternativ verschaltet. Jeder Schrank besteht aus einem Gleichrichter und einem Wechselrichter „Back to Back“. Die Schränke werden parallelgeschaltet und verwenden einzelne Filter, um die Stromverteilung zu verbessern. Diese Konfiguration reduziert die Notwendigkeit einer hochdimensionierten Gleichstrom-Kopplung und entsprechenden Hochstromsicherungen. Die Energie verläuft direkt von AC zu AC durch jeden parallel geschalteten Block. Die Gleichstrom-Sicherungen müssen nur den Ausgleichsstrom zwischen den Schränken tragen und müssen für transienten Strom im Bremschopper Betrieb ausgelegt werden. Die Gleichstromverbindung zwischen den Schränken ist notwendig, um eine gemeinsame Gleichspannung für Steuerzwecke bei harter Parallelschaltung zu gewährleisten.
Einphasige Buck Boost Topologien für neue Anwendungen
Ein Drehstrom-Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom, aber er kann als ein dreiphasiger Buck-Boost-Wandler verwendet werden, der in der Lage ist, als reversibler Wandler, zum Laden und Entladen von Batterien zu fungieren; hier sogar mit dem Vorteil der Filteroptimierung durch verschränkte Taktung. Durch die Verwendung von verschränkten Schaltimpulsen auf einem Drehfeld, ist die scheinbare Schaltfrequenz von der DC-Seite gesehen (Eingang oder Ausgang) das Dreifache der tatsächlichen Schaltfrequenz, und verringert so die notwendige Filtergröße. Die Optimierung der Drosseln wird auch durch die Verteilung des Stroms über kleinere Induktivitäten erzielt. Der Rippelstrom zur Batterie kann, falls erforderlich, durch zusätzliche LC-Filter weiter verbessert werden. Aus Systemsicht reduziert sich die Anzahl der Inverterblöcke, wodurch die Standardisierung und die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Erhöhte Betriebsspannung bietet mehr Leistung
Bei Megawatt Anwendungen, bringt eine Erhöhung der Betriebsspannung eine Reduktion von Drahtstärke und Verlusten. Wenn auch der Nutzen für die Verkabelung klar ist, stellt dies doch eine Reihe von Herausforderungen in Bezug auf das Umrichter-Design, die Leistung, Kühlung und Wartung. Obwohl Multizellen Umrichter heute in vielen Anwendungen eingesetzt werden, gibt es alternative Lösungen für andere Fälle.Die Parallelschaltung von Stacks ermöglicht eine Stromerhöhung. Stack-Reihenschaltung ist eine mögliche Lösung um das Spannungsniveau zu erhöhen. Das Hauptproblem liegt in der Isolation. Ein bekanntes Verfahren, um das Spannungsniveau zu erhöhen, ist Umrichter auf beiden Seiten der Erdpotentials zu platzieren (positiv und negativ). Die Ausgänge der Stacks sind nicht direkt verbunden und die Verwendung von Transformatoren mit Mehrfachwicklung oder entsprechende Motoren ist erforderlich. Auch hier ist die Wechselwirkung zwischen System und Komponente ist ein wichtiger Punkt. Die Wahl zwischen speziellen Hochspannungsumrichtern mit niedriger Schaltfrequenz und Standard Komponenten ist je nach Anwendung zu treffen.
Stacks beschleunigen die effiziente Elektrifizierung in neuen Anwendungen
Die Verwendung höherintegrierter Stacks bieten aufgrund von standardisierter Produktion und kompletter Qualifikation deutlich geringe Kosten und einen reduzierten Design In- und Wartungsbedarf. Eine neue Generation bei der Leistungshalbleiter-Chiptechnologie wird alle drei bis fünf Jahre eingeführt und ist nach 10-15 Jahren veraltet. Umrichter aufgrund von Komponentenüberalterung zu aktualisieren ist nicht so einfach, auch wenn sich leistungsmäßig aufgrund neuer Chipgenerationen immer Verbesserungen bieten. Die Rückwärtskompatibilität hat nicht nur mit mechanischen, thermischen und elektrischen Parametern zu kämpfen, sondern auch mit systemrelevanten Angelegenheiten wie EMV. Die Stacks mit intelligenten Leistungsmodule (IPM) enthalten Treiber sowie Strom-, Spannungs- und Temperatursensoren. Die Lebensdauer der elektronischen Schaltungen selbst wird durch das IPM abgedeckt. Die Upgrade-Fähigkeit kann aufgrund der Höherintegration beim Stack über den kompletten Lebenszyklus realisiert werden. SEMIKRON arbeitet bereits an der nächsten Generation von Leistungs-Stacks. Mit dem neu entwickelten SKiiPX IPM wird die Leistungsdichte erhöht werden, ebenso wie die Fähigkeit, Umweltfaktoren zu widerstehen.Die neue Skin Technologie, zusammen mit einer effizienten Wasserkühlung bietet außergewöhnliche Leistung. Der modulare Aufbau des SKiiPX verschafft auch Modularität für verschiedene Leistungsklassen. Das Gehäuse bietet die 3K4 Klimaklasse zusammen mit einem Verschmutzungsgrad 3, was den Betrieb in rauen Umgebungen mit starkem Feuchteeinfluss verbessert. In Kombination mit innovativem Aufbau und optimalem Temperaturmanagement, wird so ein 3MW Vierquadranten-Umrichter möglich, passend für den Einbau in einen 800 x 600 x 2000 mm Schrank.Die Leistungsklasse und der modulare Aufbau bieten die optimale leistungselektronische Lösung für Marineumrichter. Generatoren und Antriebsseite können dadurch mit einer Plattform realisiert werden. Für den Systemhersteller reduziert sich der erforderliche Entwicklungs- und Fertigungsaufwand stark durch den Zukauf einer hochintegrierten Funktionseinheit wie einen Stack, verbessert die Markteinführung und Qualitätsausbeute und erleichtert das Lebensdauer-Management. Für einen Systemintegrator stellt der Stack einen Weg dar, um ein innovatives leistungselektronisches System zu bauen, eine einfache und zuverlässige Leistungs-Funktionseinheit zu verwenden, ohne die Zwänge der Implementierung von Leistungshalbleitern, und so Entwicklungsressourcen freizumachen. Einer schnellen Elektrifizierung von zukünftigen Schiffen steht somit nichts mehr im Weg.