Der Markt für Frequenzumrichter bietet heute eine große Anzahl funktional ähnlicher Geräte, welche alle die nötigen Minimalanforderungen erfüllen und somit mehr oder weniger problemlos untereinander austauschbar sind. Da auch die angewandten Qualitätsstandards ähnlich hoch sind, ist eine Differenzierung nur noch über applikationsspezifische Sondergeräte oder die Reduzierung der Kosten möglich. Einen innovativen Ansatzpunkt zur Kostenoptimierung bietet hierbei die Integration von Zusatzfunktionen ins Leistungsmodul. SEMIKRON bietet hier in der SEMiX 3 Press-Fit Baureihe IGBT-Module in Halbbrückentopologie mit integrierten Shunts zur Strommessung.

Beim Blick auf die Stücklisten heutiger Frequenzumrichter des mittleren Leistungsbereichs, z.B. 75 kW bis 160 kW, fällt auf, dass die Stromsensoren, deren Befestigung, Versorgung und Anbindung einen nicht unerheblichen Teil der gesamten Materialkosten ausmachen. Zusätzlich zu den reinen Materialkosten muss für diese Sensoren auch Bauraum zur Verfügung gestellt werden. Außerdem müssen diese Sensoren manuell montiert und angeschlossen werden, was weiteren Aufwand im Montageprozess generiert.

Integrierte Shunt-Widerstände 

An diesem Punkt setzt das IGBT-Modul SEMiX 3 Press-Fit Shunt von SEMIKRON mit integrierten Shunt-Widerständen zur Strommessung an. Die Verwendung zusätzlicher Stromsensoren wird dadurch überflüssig. Bei der Produktfamilie SEMiX-handelt es sich um IGBT-Module in Halbbrücken- oder Chopper-Topologie für 1200V oder 1700V bis 600A. Mit 17mm Bauhöhe entspricht das Modul dem Industriestandard für mittlere bis hohe Leistungen. Durch die Verwendung von Press-Fit-Kontakten für die Hilfsanschlüsse erfolgt die Montage komplett lötfrei. In Verbindung mit SEMiX-Brückengleichrichtern in gleicher Bauform bietet das System maximale Performance bei optimierten Systemkosten. Neben den deutlich geringeren Kosten bietet die Strommessung über die integrierten Shunt-Widerstände auch erhebliche Vorteile bei Messgenauigkeit sowie Bandbreite der Messwerte. Die Shunt-Widerstände bestehen aus einer speziellen Legierung, welche bis zu einer Betriebstemperatur von 250°C eingesetzt werden kann. Durch die geringe Temperaturabhängigkeit sowie hohe Linearität des Shunt-Widerstandes eignet sich der SEMiX 3 Press-Fit Shunt optimal für anspruchsvolle Regelungsaufgaben aufgrund der äußerst präzisen Feedback-Signalen. Angesichts des geringeren Bauteilaufwands und der Einfachheit der Komponenten reduziert sich durch den SEMiX 3 Press-Fit Shunt auch die Ausfallrate im Vergleich zu konventionellen Umrichtersystemen mit Stromwandler.

Auch die bei stromkompensierten Sensoren limitierte Überlastfähigkeit wird durch die Shunts deutlich übertroffen. Die intelligente Integration der Widerstände in das Leistungsmodul benötigt keinen zusätzlicher Bauraum, und der SEMiX 3 PressFit Shunt bietet die gleichen Leistungsdaten wie baugleiche Module ohne integrierte Messwiderstände.

Integrierte Signalübertragung auf Treiberbaustein

Semix 3 Press-Fit Shunt Evaluation-Kit with Skyper 12

Die Integration der Strommessung bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich: Anstatt eines galvanisch getrennten Signals eines Stromwandlers wird nun eine Spannung auf Zwischenkreispotential gemessen. Bevor diese von einem übergeordnetem Regler weiterverarbeitet werden kann muss zunächst eine Isolierung sowie Digitalisierung stattfinden. Diese Aufgabe übernimmt der Treiber SKYPER 12 in Verbindung mit einem Delta-Sigma-Modulator.

Der SKYPER 12 auf ASIC-Basis übernimmt zum Einen die sichere und optimierte Ansteuerung im erlaubten Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA), als auch die Auswertung der Zwischenkreisspannung und der im Modul integrierten Temperaturmessung und stellt diese als sicher galvanisch getrenntes Signal dem Controller zur Verfügung.

SEMIKRON bietet zur Evaluierung von SEMiX 3 Press-Fit Shunt Systemen eine Adapterplatine, welche den SKYPER 12 an das Modul anbindet. Durch Integration aller erforderlichen Spannungsquellen und des Signal- und Fehlermanagements in die ASICs konnte die Anzahl der Einzelkomponenten am Treiber um 30% reduziert werden, was die Lebensdauer, abhängig vom Lastprofil, um bis zu 20% erhöht. Dadurch erreicht der SKYPER 12 eine MTBF Rate von über 8 Mio. Stunden. Die beiden rein digitalen ASIC-Bausteine sind jeweils auf Primär- sowie Sekundärseite eingesetzt und verzichten auf analoge Filterbausteine. Dadurch können die Signallaufzeiten optimiert werden und der zeitliche Versatz der Signale wird auf unter 30ns reduziert. Die metallische Schirmung der ASIC Gehäuse gewährleistet höchste Temperaturstabilität und vermindert die Störanfälligkeit.

Eine serielle Schnittstelle im UART-Standard sowie ein differenzielles Signal verbindet den Treiber mit der übergeordneten Steuerung. Der IC-basierte Delta-Sigma-Modulator, welcher sich auf der Adapterplatine befindet, wandelt das Spannungssignal des Shunts in ein digitales Differentialsignal mit 20 MHz Taktfrequenz um, was die hohe Genauigkeit der Strommessung unterstreicht. Dadurch ergeben sich auf dem weiteren Signalweg bis zur übergeordneten Steuerung keine Messwertabweichungen durch Wandler- oder Bauteiltoleranzen. Die Versorgung des Delta-Sigma-Modulators erfolgt durch die Sekundärseite des SKYPER 12. Je nach gewähltem Modulator-IC erfolgt die sichere Potentialtrennung entweder kapazitiv oder optisch.

Durch Verwendung des Pakets aus SEMiX 3 Press-Fit Shunt sowie den dafür optimierten SKYPER 12 können die Entwicklungszeiten drastisch reduziert werden, da Design-Schleifen in der Entwicklung vermieden werden und dadurch die System-Entwicklung in kürzester Zeit abgeschlossen wird. Durch die verwendete Press-Fit Technologie wird auch der Fertigungsprozess optimiert; Es muss lediglich das Treiber-Board auf das Modul gepresst werden, und somit sind alle Strom-, Spannungs-, und Temperaturmesssyteme montiert. Es werden keine weiteren Platinen zur Signalaufbereitung mehr benötigt, was die Herstellkosten reduziert, bei gesteigerter Qualität und FIT-Rate.

Voraufgetragenes Phase Change Material

Die finale Stufe der Integration bietet das vorab aufgetragene Wärmeleitmaterial. Hierbei wird Phase-Change-Material (PCM) verwendet, welches sich bei Raumtemperatur in festem und daher verwischfreiem Zustand befindet. Dies ermöglicht im Vergleich zu viskosen Wärmeleitpasten die maximale Prozesssicherheit bei der Montage der Module. Das Druckmuster des PCM ist perfekt auf die Modulbodenplatte abgestimmt und wird über ein geregeltes Siebdruckverfahren aufgebracht und garantiert damit optimale Verteilung des Wärmeleitmaterials.

Dies resultiert in einem um 10 Prozent niedrigeren Wärmewiderstand, was wiederum zu niedrigeren Sperrschichttemperaturen während des Betriebs führt. Dadurch ergibt sich entweder eine Erhöhung der Lebensdauer des Moduls oder aber auch ein erhöhter Ausgangsstrom, was wiederum die Leistungsdichte erhöht.

Optimiertes Gesamtkonzept durch Integration

Die Verbindung von SEMiX 3 Press-Fit Shunt mit SKYPER 12 und voraufgetragenem Phase-Change-Material bietet die maximale Integration von Komponenten, was für das Gesamtsystem deutliche Kostenersparnisse, Bauraumgewinne sowie verkürzte Entwicklungszeiten bei erhöhter Zuverlässigkeit mit sich bringt. Dies macht SEMIKRON zu einem zuverlässigen Partner für Umrichterhersteller, um wettbewerbsfähige Geräte für einen anspruchsvollen Markt zu entwickeln.

Voraufgetragenes Phase Change Material

Die finale Stufe der Integration bietet das vorab aufgetragene Wärmeleitmaterial. Hierbei wird Phase-Change-Material (PCM) verwendet, welches sich bei Raumtemperatur in festem und daher verwischfreiem Zustand befindet. Dies ermöglicht im Vergleich zu viskosen Wärmeleitpasten die maximale Prozesssicherheit bei der Montage der Module. Das Druckmuster des PCM ist perfekt auf die Modulbodenplatte abgestimmt und wird über ein geregeltes Siebdruckverfahren aufgebracht und garantiert damit optimale Verteilung des Wärmeleitmaterials. Dies resultiert in einem um 10 Prozent niedrigeren Wärmewiderstand, was wiederum zu niedrigeren Sperrschichttemperaturen während des Betriebs führt. Dadurch ergibt sich entweder eine Erhöhung der Lebensdauer des Moduls oder aber auch ein erhöhter Ausgangsstrom, was wiederum die Leistungsdichte erhöht.

Optimiertes Gesamtkonzept durch Integration

Die Verbindung von SEMiX 3 Press-Fit Shunt mit SKYPER 12 und voraufgetragenem Phase-Change-Material bietet die maximale Integration von Komponenten, was für das Gesamtsystem deutliche Kostenersparnisse, Bauraumgewinne sowie verkürzte Entwicklungszeiten bei erhöhter Zuverlässigkeit mit sich bringt. Dies macht SEMIKRON zu einem zuverlässigen Partner für Umrichterhersteller, um wettbewerbsfähige Geräte für einen anspruchsvollen Markt zu entwickeln.