34 E L E KT R O M E C H A N I K I G B T- STAC K- P L ATT F O R M www.polyscope.ch Bei Umrichterentwicklungen Zeit sparen Power-Module quadratisch und praktisch gestapelt Ingenieure greifen bei ihren Projekten oft auf bereits fertige Unterbaugruppen zurück, um Zeit und Geld zu sparen. Aus diesem Grund hat Semikron die modulare IGBT-Stack-Plattform (Insulated Gate Bipolar Transistor) geschaffen, die auf 62-mm-Standardmodulen beruht. » Daniel Seng Spezielle Anordnung der Stromschienen hält Stromderating niedrig In Abhängigkeit von den Leistungsdaten des Semikube können bis zu acht IGBT-Halbbrückenmodule in Parallelschaltung betrieben werden. Eine Parallelschaltung von Powermodulen geht in der Regel mit einem erforderlichen Leistungsderating einher, da der Gesamtstrom nicht ideal gleich auf die beteiligten Module verteilt werden kann. Um das Stromderating so niedrig wie möglich zu halten, wird beim inneren Aufbau des Semikube eine spezielle Anordnung der Stromschienen verwendet. Bei einer Schaltfrequenz von etwa 3 kHz kann ein gutes Leistungsverhalten in Bezug auf die Verluste erzielt werden. Die Vorteile eines grossen Verhältnisses von Schaltfrequenz zu Grundfrequenz treffen auf relativ niedrige Verlustwerte von typisch 1 bis 2 Prozent. Leistungsbereiche der Semikube-Familie Die Semikube-Plattform ist Semikrons Antwort auf die Marktforderung nach kosteneffektiven, flexibel einsetzbaren, kompakten und einfach zu wartenden Leistungsteilsystemen. Durch Parallelschaltung mehrerer Blöcke zur Erreichung der geforderten Leistung decken sie den Bereich der Antriebsleistungen zwischen 75 kW und 1 MW ab. Die Blöcke und ihr Innenleben sind modular aufgebaut. Bei den Powermodulen im Kube handelt es sich um übliche 62-mm-IGBT-Module mit zwei Schaltern je Gehäuse. Die IGBT-Module werden mit hausintern entwickelten Treiberschaltungen angesteuert, die auf den Merkmalen der Skyper-32-ProSerie beruhen. Die Gleichstromverschienung sowie die Kondensatoren, Elektrolyt- oder Polypropylenausführungen befinden sich unmittelbar über den Powermodulen. Die Anzahl der Kondensatoren kann, entsprechend den Kundenanforderungen, unterschiedlich gewählt werden. Der gesamte Aufbau wird von einem stabilen Metallrahmen umfasst, der ihm das würfelförmige Aussehen verleiht. Zur Verbindung mehrerer Kubes für Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf steht eine patentierte und schnell montierbare Klemmverbindung zur Verfügung. Im Zusammenspiel mit dem speziellen Aufbau der Stromschienen kann ein Stack mit sehr niedriger Induktivität erreicht werden. DC-Klemmen machen kompakte Anordnung im Schaltschrank möglich AC-seitig sind die Stromschienen aus verzinntem Kupfer gefertigt. Die Struktur mit identischen Längen der Stromschienen zu allen Modulen führt zu gleichen und sehr niedrigen Werten für Widerstand und Induktivität. Auf der DC-Seite garantiert die Konstruktion der Stromschiene einen optimalen Strompfad, dessen ebenfalls niedrige Induktivitätswerte zu gutem Schaltverhalten beitragen. Autor Daniel Seng Produktmanager Semikron Frankreich Polyscope 3/09 I G B T- STAC K- P L ATT F O R M E L E KT R O M E C H A N I K Der Semikube ist so konstruiert, dass die DC-Blöcke mehrerer Kubes einfach zusammengeschaltet werden können. Dadurch sind kompakte Anordnungen mehrerer Einheiten im Schaltschrank möglich. Die Durchverbindung mehrerer DC-Stromschienen geschieht mittels spezieller, patentierter DC-Klemmen. Um zwei Semikubes miteinander sicher und dauerhaft zu verbinden, müssen nur zwei Schrauben festgezogen werden. Minimale Lebensdauererwartung von 60 000 Stunden In Abhängigkeit von der geforderten Leistung des Umrichters kann ein Kube bis zu 12 ZKKondensatoren aufnehmen. Standardmässig kommen Longlife-Elektrolyt-Kondensatoren mit Schraubanschlüssen zum Einsatz. Die Grösse der Kondensatoren hängt primär vom Umrichterstrom und der erforderlichen Kapazität ab. Semikron legt seinen Kondensatorberechnungen eine minimale Lebensdauererwartung von 60 000 Stunden zugrunde. Für Applikationen, die höhere Zwischenkreisspannungen benötigen (>750 V), stehen Polypropylen-Kondensatoren zur Verfügung. Um die Zuverlässigkeit der ZK-Kondensatoren der Semikubes zu erhöhen, werden diese standardmässig aktiv gekühlt. Treiber gewährleisten sichere Abschaltung Die Treiberschaltung beruht auf dem existierenden Design der Skyper-32-Pro-Treiber. Anpassungen an die Plattform führten zu den aktuell verwendeten Treibern Semikube GB (für die Grössen 2 und 3) sowie Semikube GD Semikube in einer Solarzellen-Wechselrichteranwendung (für die Grössen ½ und 1). Jeder Kube ist mit einem eigenen Treiber ausgestattet, der unabhängig arbeitet. Alle Treiber verfügen jedoch über eine Schnittstelle zum kundenseitigen Antriebsregler. Die Treiber sind mit umfangreichen Schutz- und Überwachungsfunktionen versehen. Dazu gehören unter anderem Kurzschlussschutz,Temperaturüberwachung, galvanische Trennung sowie die Ausführung der Schnittstelle in Kleinspannungstechnik (SELV). Um einen symmetrischen Stromfluss sicherzustellen, wurden Halleffekt-Stromsensoren integriert. Der Treiber würde eine asymmetrische Stromverteilung oder eine Überstromsituation erkennen und eine sichere Abschaltung gewährleisten. Einsatz in Industrieantrieben mit veränderlichen Drehzahlen Schnittstellen des Semikube Polyscope 3/09 Die Hauptanwendungen von Semikube sind Standardindustrieantriebe. Klimatisierungsanlagen wie auch Transporteinrichtungen zählen zu den klassischen Einsatzgebieten. Die Semikube-Leistungsteile können jedoch für nahezu alle Industrieantriebe mit veränderlichen Drehzahlen eingesetzt werden. Zu den neueren Anwendungen gehören zentrale Wechselrichter in grossen Photovoltaikanlagen. Für spezielle Exportanforderungen sind UL-gelistete Ausführungen verfügbar. Ein weiteres wichtiges Argument für den Einsatz bei Photovoltaikanlagen ist der Gesamtwirkungsgrad, der Patentierte DC-Klemme für die DC-Verbindung zwischen einzelnen Kubes hier besonders kritisch ist. Die eingesetzte Plattform hat einen Gesamtwirkungsgrad von über 98 Prozent. Normalerweise enthält der Kube-Aufbau einen Dreiphasen-Gleichrichter und einen Dreiphasen-Wechselrichter. Der Gleichrichterteil kann, entsprechend den Kundenanforderungen, als ungesteuerte (B6U), als halbgesteuerte (B6HK) oder als vollgesteuerte Brücke ausgeführt sein. Die typische Struktur auf der Wechselrichterseite ist dreiphasig (GD). Es sind aber auch H-Brücken (GH) oder Halbbrücken (single arm) (GB) möglich, die für Tiefsetzsteller (buck) oder Hochsetzsteller (boost) eingesetzt werden können. « Infoservice Semikron AG Industriestrasse 19, 8304 Wallisellen Tel. 044 914 13 33, Fax 044 914 13 30 [email protected], www.semikron.com 35
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