SONDERHEFT LEISTUNGSELEKTRONIK & STROMVERSORGUNG
Wissen.
Impulse.
Kontakte.
www.elektronikpraxis.de
Energiespar-Module für
effiziente Umrichter
Auf der Basis ihrer 7. IGBT-Generation entwickelte Mitsubishi Electric mehr
als 70 neue Power Devices mit reduzierten Verlusten und höherer Zuverlässigkeit.
Micro-PMIC für
Leistungselektronik
in Wearables
Doppelseitige
Entwärmung durch
Chip-on-Heatsink
Referenz-Design für
Inverter in E-Cars &
Industrieantrieben
Power-Management-IC
integriert alle notwendigen
Komponenten.
Seite 18
Keramikkühler verbessert
thermischen Widerstand
um rund 35%.
Seite 26
Umrichter-Komplettlösung
erhöht Leistungsdichte und
ist EMV-optimiert. Seite 36
Juni 2016
EDITORIAL
Die Branche erwartet starkes
Wachstum für GaN-Devices
Beste Qualität,
unfassbar preiswert
N
ach Expertenmeinung steht den
Wide-Bandgab-Halbleitern in
Galliumnitrid-Technologie jetzt
der große Durchbruch bevor; noch in diesem Jahr soll durch eine intensive Nutzung in neuen Designs der Markt für GaNPower Devices explosionsartig zulegen.
Das bestätigt auch Yole Development,
renommierter Branchenanalyst und Consultant, und prognostiziert einen Jahresumsatz von 300 Mio. US-$ bis 2020. Gemäß Umsatzanalyse 2015 erwirtschafteten die Hersteller noch bescheidene 10
Mio. US-$, doch sagt Yole ein beachtliches
durchschnittliches Jahreswachstum von
93% bis 2020 voraus. Allerdings hänge der
künftige Erfolg entsprechender Herstellerfirmen u.a. von der globalen Patentsituation ab. Etwa 2000 internationale und
mehr als 4900 nationale Schutzrechte
kennzeichnen aktuell die Patentlandschaft um den Verbundhalbleiter GaN. Die
Unterschiede sind in der Regel marginal;
oft handelt es sich um Detailverbesserungen der Technologie, etwa in der Epitaxie.
Um den boomenden GaN-Markt zu beherrschen sei es auf Herstellerseite unbedingt notwendig, wichtige Veränderungen vorauszusehen, entsprechend neue
Geschäftsfelder zu entwickeln und Markt-
„GaN-Halbleiter setzen
sich durch und finden
ihre Anwendungen im
Niederspannungsbereich
bis ungefähr 600 V.“
Ingenieure in über 50 Ländern
vertrauen auf den vektoriellen
Netzwerkanalysator Bode 100.
Denn Bode 100 bietet präzise
Messergebnisse, einfachste Bedienung und ein unschlagbares
Preis-Leistungsverhältnis.
Gerd Kucera, Redakteur
[email protected]
risiken der neuen Technologie in den Griff
zu bekommen. Dazu sind entschlossene
strategische Entscheidungen notwendig,
um die eigene Marktposition zu stärken.
Derzeit gibt es laut Yole nur eine Handvoll Wettbewerber mit vielversprechendem GaN-Produktportfolio. Zu ihnen gehören Infineon/International Rectifier,
EPC, GaN Systems und Transphorm. Entsprechend ihrer aktuellen Marktstudie,
berichtet Yole, besitzt der Merger Infineon/International Rectifier derzeit die aussichtsreichsten IPs, um das GaN-Marktwachstum anzuführen. Doch Mitbewerber wie Transphorm, Mitsubishi Electric
und Fujitsu dürfen nicht außer Acht gelassen werden. Denn sie haben mit
ihren Patentlizenzen und Partnerschaften
das Potenzial, die Marktgegebenheiten zu
verändern und die Führungsrolle zu übernehmen.
Messen Sie von 1 Hz bis 40 MHz:
• Regelkreisstabilität
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Gm
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𝜑𝜑𝜑𝜑m
Phase(Gain)/°
Herzlichst, Ihr
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
3
Smart Measurement Solutions®
INHALT
LEISTUNGSHALBLEITER
Energiespar-Module
für effiziente Umrichter
Die Nachfrage nach verlustarmen IGBTs für
beispielsweise Endstufen in Umrichtern ist
weiter zunehmend. Mitsubishi Electric
entwickelte entsprechend optimierte
Power Devices und stellt jetzt weitere Module auf Grundlage der siebten IGBT-Generation vor. Deren Chips
und RFC-Dioden haben u.a. weniger
statische und dynamische Verluste.
Basis der IGBTs ist eine optimierte CSTBTTechnologie mit einer dünneren Schichtdicke des
Chips im Vergleich zur LPT-Struktur.
11
SCHWERPUNKTE
Leistungshalbleiter
TITELTHEMA
11
14
18
Energiespar-Module für effiziente Umrichter
Weiter reduzierte statische und dynamische Verluste, mehr
Zuverlässigkeit sowie Design-Flexibilität waren Entwicklungsziel bei mehr als 70 neuen Power Devices.
Lastwiderstände: Lösungen für neue Anforderungen
In sicherheitsrelevanten Applikationen der elektrischen
Antriebe besteht auch künftig die Anforderung, bei Netzausfall auf Bremswiderstände zurückzugreifen.
Micro-PMIC organisiert Leistungsverbrauch
Am Beispiel einer Smart-Watch-Schaltung wird gezeigt, wie
ein Micro-PMIC (Micro-Power-Management-IC) unterschiedliche Spannungen für Sensoren, Wireless-Module,
Prozessor und BLDC-Motor bereitstellt.
22 Herausforderung an Gate-Treiber und Stromsensorik
Nicht ideale Gegebenheiten in der Stromschleife haben
unerwünschte Auswirkungen auf die Motorsteuerung. Der
Beitrag zeigt eine Lösung zur Gate-Ansteuerung mit Isolation und Pegelanpassung.
26 Optimale thermische Kopplung
Mit Chip-on-Heatsink hat CeramTec ein Verfahren entwickelt, in dem die Wärmequelle direkt auf eine metallisierte
Wärmesenke per Löten oder Ag-Sintern montiert wird.
4
30 Wegbereiter für neue Applikationen
Entwickler von leistungselektronischen Baugruppen
können jetzt auf SiC-Power-MOSFET und -Module
zugreifen, die aus Systemsicht preislich fast mit reinen
Silizium-Typen konkurrenzfähig sind.
34 Vorteile von modulbasierten Lösungen
Modulhersteller liefern ein nach Funktion und Eigenschaft
definiertes Subsystem. Elektrische wie mechanische
Spezifikationen, etwa in Bezug auf EMV, Effizienz und
Belastbarkeit, vereinfachen das Design.
Stromversorgung
36 Motorschonende Umrichter-Komplettlösung
Um Antriebskonzepte einfacher zu realisieren, haben TDK
und Infineon eine Lösung entwickelt, die in E-Mobilität
und Industrie-Anwendungen eingesetzt werden kann.
44 Hybrid-Steckverbinder für modulare Energiespeicher
Das Verkabeln großer Batterie-Energiespeicher ist zeitaufwendig und birgt ein hohes Risiko von Installationsfehlern.
Hybrid-Steckverbinder dagegen sind schnell und sicher.
48 Wirkungsgradmessung im Interesse des Anwenders
Stromversorgungen haben zunehmend höhere Wirkungsgrade. Doch können wir uns auf Wirkungsgradangaben in
den Datenblättern der Hersteller verlassen?
52 Leistungssprung bei Super-Caps durch Graphen
Kondensatoren auf Basis von Graphen haben erstaunliche
Fähigkeiten. Sie erreichen hohe Spannungen, große
Kapazitäten, geringe Leckströme und niedrige ESR-Werte.
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Leistungselektronik
Stromversorgung
14
Leistungswiderstände
für neue Anforderungen
18
Micro-PMIC organisiert
Leistungsverbrauch
26
Power Devices
doppelseitig entwärmen
36
Referenz-Design für
kompakte Umrichter
IGBT Module & Treiber
54 So kommen Sie zum optimalen Netzteil
Netzteile arbeiten unauffällig, sind aber unverzichtbar. Bei
der Auswahl eines Netzteils für Ihre Entwicklung sollten Sie
auf einen geeigneten Lieferanten setzen. Wir sagen Ihnen,
worauf es dabei ankommt.
TIPPS & SERIEN
8
Meilensteine der Elektronik
Stromversorgungen mit Support
Das breite Angebotsspektrum des Stromversorgungsspezialisten TDK-Lambda erstreckt sich von Standard-Stromversorgungen über kundenspezifische Lösungen bis hin zu
umfangreichen Dienstleistungen.
 IGBT-Module
 IGBT-Treiber
 GaN Technologie
 Stromversorgungen
 Induktivitäten
 Folienkondensatoren
 Superkondensatoren
RUBRIKEN
3
Editorial
6
Aktuelles
39 Impressum
Industrie 4.0 - Das Seminar
22. - 23. Juni. 2016, München
Das Seminar gibt einen Überblick in die
Technologien und bietet den Teilnehmern die Möglichkeit, im Labor
der TU München "Hands-on" Industrie 4.0 zu erleben.
HY-LINE Power Components Vertriebs GmbH
Inselkammerstr. 10 · D-82008 Unterhaching
Tel.: 089 / 614 503-10 · E-Mail: [email protected]
artpool.de / A10650
www.b2bseminare.de/926
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Schweiz: Hochstrasse 355 · CH-8200 Schaffhausen
Tel.: 052 647 42 00 · E-Mail: [email protected]
www.hy-line.de/power
AKTUELLES // WEITERBILDUNG
Elektrische Antriebstechnik 2017:
Call for Paper
Wollen Sie auf dem 4. Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2017
als Referent in Würzburg dabei sein? Dann senden Sie uns Ihr
Vortragsthema via Website oder per E-Mail bis zum 30.9.2016.
D
Bild: VBM-Archiv
ie EU setzt Energieeffizienzklassen für
Drehstrommotoren fest und verordnet den Umstrieg auf sparsame Antriebslösungen. Ab 2017 ist der Geltungsbereich auch für Motoren von 0,75 bis 7,5 kW
wirksam. Damit nimmt der gesetzliche Einfluss durch Richtlinien und Verordnungen
nimmt zu. Die politischen Vorgaben, besonders zu Öko-Design und Energieeffizienz,
stellen die Hersteller von elektrischen Antriebskomponenten und -systemen immer
wieder vor neue technische Herausforderungen, um ihre Produkte entsprechend anzupassen.
Werden Sie Referent auf dem
nächsten Praxisforum
„Höhere Anlauf- und Inrush-Ströme erweitern die Anforderungen an die industrielle
Schalttechnik“, konstatiert Dr. Andreas
Krätzschmar (Head Laboratory Control Components and Systems Engineering bei der
Siemens AG), „während der Anlaufphase der
Motoren werden die Installationsnetze deutlich stärker belastet. Außerdem erfordern
diese erhöhten Ströme bei den Schaltgeräten
ein entsprechend höheres Schaltvermögen
sowie teilweise geänderte Einstellungen
beim Kurzschlussschutz.“
Prof. Dr. Manfred Schrödl (TU Wien) betont: „Im Zuge der gesetzlich verschärften
Bestimmungen über die Wirkungsgrade von
elektrischen Maschinen gerät die Asynchronmaschine zunehmend an ihre Grenzen, was
Effizienz, vor allem bei Teillast, betrifft.
Energieeffizienz für Automotive und Industrie ist nur ein Schwerpunkt des facettenreichen Praxisforums Elektrische Antriebstechnik 2017. Wollen Sie als Referent dabei
sein und Ihr Wissen an ein breites Publikum
weitergeben? Dann reichen Sie einen Vortragstitel und eine kurze aussagestarke Zusammenfassung Ihres möglichen Vortrages
in deutscher Sprache über das Online-Formular (www.praxisforum-antriebstechnik.
de) ein. Der Call for Paper endet am 30. September 2016. Nach bestätigter Annahme Ihres Themas reichen Sie bitte eine Langversi-
6
27 renommierte Referenten: Die Experten aus Industrie und Forschung vermittelten den Teilnehmern des
Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2016 (PEA 2016) zahlreiche Optimierungslösungen.
on des Abstracts (3000 Zeichen plus 1 Bild)
bis Mitte Oktober nach.
Die Kurzfassung des Vortrages soll folgendes enthalten: Titel des Beitrags, vollständiger Name und Titel des Autors sowie Firma/
Institut, E-Mail-Adresse des Referenten und
Telefonnummer sowie Inhaltsangabe des
Vortrags (etwa 2000 Zeichen) oder den Komplettbeitrag.
Das nächste Praxisforum:
4.-6. April 2017 in Würzburg
Das Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2017 befasst sich intensiv mit jüngsten
Vorgaben zur Energieeffizienz, Neuentwicklungen bei intelligenter Sensorik und Signalverarbeitung, robusten Power Devices und
der branchenspezifischen Integration in
Anlagenkonzepte. Die Veranstaltung bietet
dabei einen ganzheitlichen Blick auf die Antriebstechnik und hilft, elektrische Antriebe
zeitgemäß zu projektieren.
Weitere Themen sind: Schaltungsbeispiele mit Motion Control Chips (Mikrocontroller,
FPGAs, ASSP, Chip Sets), Schaltungsbeispie-
le mit Power Devices (MOSFETs, IGBTs, IPMs,
Wide-Bandgap-Halbleiter). Best-PracticeBeispiele, anwendbare Technik aus der Forschung.
Die dreitägige Veranstaltung mit zweitägiger Fachausstellung wendet sich an Hardund Software-Entwickler sowie an Projektverantwortliche und Entwicklungsleiter, die
sich mit elektrischen Antriebslösungen für
Maschinen, Anlagenbau und Automotive
beschäftigen.
Alle Vorträge sind in deutscher Sprache zu
halten; die Vortragszeit ist auf 40 Minuten
begrenzt. Die Referate richten sich an einen
Teilnehmerkreis, der tiefgehendes und nutzenrelevantes Fachwissen erwartet. Marketingorientierte und oberflächliche Beiträge
werden daher nicht akzeptiert.
Bei Fragen zum Programm und zur begleitenden Ausstellung am zweiten und dritten
Veranstaltungstag wenden Sie sich bitte an
Gerd Kucera (per Telefon 0931/418-3084 oder
E-Mail [email protected]).
// KU
praxisforum-antriebstechnik.de
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Kundenspezifische und StandardStromversorgungen mit Support
Bild: TDK-Lambda
Das breite Angebotsspektrum des Stromversorgungsspezialisten TDKLambda erstreckt sich von Standard-Stromversorgungen über kundenspezifische Lösungen bis hin zu umfangreichen Dienstleistungen.
D
ie Firmengeschichte von TDK-Lambda
reicht bis ins Jahr 1948 zurück als Lester Dubin in Queens, New York, die
Garagenfirma Lambda gründet. Das markante Lambda-Logo entwickelte er aus seinen
Initialen – den griechischen Buchstaben
Lambda und Delta. Lambda ist heute noch
ein Bestandteil des aktuellen Firmennamens
TDK-Lambda und steht nach wie vor weltweit
für solide Qualität, hervorragenden Support
und hochwertige Netzteile für Industrieanlagen, Medizintechnik, Automation- sowie
Prüf- und Messtechnik.
Entwicklungsingenieure sowie Einkäufer
aus aller Welt schätzen das über viele Jahrzehnte fundierte Entwicklungs-Knowhow im
Bereich Standard- und kundenspezifischeStromversorgungen.
Für jede Anwendung die richtige Stromversorgung
TDK-Lambda: Einer der größten Hersteller von Stromversorgungen weltweit – dabei hat alles ganz klein
angefangen, in einer Hinterhofgarage in Queens.
8
Alle Netzteile sind nach neuester Technologie sowie modernster Werkstofftechnik
entwickelt und entsprechend den aktuellen
Branchenstandards zertifiziert. Das klare
Ziel von TDK-Lambda ist es mit Hilfe seines
weltweit verzweigten Netzwerkes die hundertprozentig richtige Stromversorgung für
die Anwendung ihrer Kunden zu finden.
Heute spielt das Unternehmen insbesondere bei den modularen Stromversorgungen
eine führende Rolle und war maßgeblich an
der Entstehung dieses Stromversorgungskonzepts beteiligt. Mehrere patentierte Konzepte zum Trafobau zeugen von diesem umfangreichen Knowhow. Aber neben der Entwicklung erstklassiger Produkte sind ebenso
kurze Entwicklungszeiten, höchste Flexibilität, internationale Sicherheitsstandards,
optimierte Baugruppen und ein internationales Herstellernetzwerk unverzichtbar.
Die Kunden von TDK-Lambda schätzen vor
allem die flächendeckende Kundenbetreuung in Deutschland, Europa und weltweit.
So stellt das Unternehmen sicher, dass die
Kunden individuell und kompetent vor Ort
beraten werden.
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Steckbrief
Derzeit umfasst das TDK-Lambda Produktspektrum über 30.000 Typen an AC/
DC-Netzteilen, DC/DC-Wandlern und Labornetzgeräten im Leistungsbereich von 1,5 W
bis 15 kW. Neben diesem breiten Portfolio an
Standardnetzgeräten bietet TDK-Lambda seit
vielen Jahren auch kundenspezifische Lösungen, bei denen die Leistungsanforderungen der Kunden bis ins kleinste Detail hundertprozentig erfüllt werden. Von einer einfachen Modifizierung, z.B. einer Steckverbindung,
bis
hin
zu
individuellen
kundenspezifischen Anforderungen. Mit
TDK-Lambdas Value Added Lösungen entstehen von der ersten Idee bis hin zur Serienreife schrittweise maßgeschneiderte Produkte, die sich präzise in die Kundenanwendung einfügen.
TDK-Lambda begleitet die Kunden vom
Design-In über EMV-Normen, Safety-Zulassungen und Serienfertigung bis zum AfterSales-Service. Ein professioneller und umfassender Logistik und Support Service vervollständigen das umfassende Produktportfolio.
Individuell geplanter
logistischer Service
TDK-Lambda analysiert gemeinsam mit
den Kunden die individuellen logistischen
Servicebedürfnisse – von der Optimierung
der Lagerplanung bis hin zu maßgeschneiderten Supply-Chain-Lösungen inklusive
Vendor Managed Inventory. Dadurch bietet
TDK-Lambda seinen Kunden schlankere,
effizientere Arbeitsabläufe, geringere Transportkosten, deutlich kürzere Reaktionszeiten
und mehr Servicequalität. Dies schätzt unter
anderem auch Siemens Healthcare GmbH
(Business Unit Computer Tomography) die
TDK-Lambda bereits zum dritten Mal den
Award »Lieferant des Jahres« verliehen haben. Bewertungskriterien für die Auszeichnung waren guten Eigenschaften in Bezug
auf Qualität, Logistik und Ratio.
Weltweit aktiver Strom­
versorgungsspezialist
TDK-Lambda ist eine Unternehmensgruppe der TDK Corporation mit Hauptsitz in
Tokio, Japan und seit 2010 unter der Leitung
von Hiroyuki Yashiro (Präsident & CEO).
Weltweit arbeiten über 3.900 Mitarbeiter bei
TDK-Lambda. Managing Director TDK-Lambda EMEA ist Adam Rawicz mit Sitz in Ilfracombe, Großbritannien und für die Business
Bereiche Frankreich, Italien, Deutschland
und Israel verantwortlich. Gustav Erl ist seit
2004 General Manager der TDK-Lambda
Deutschland GmbH mit Hauptsitz in Achern.
Die europäischen Fertigungs- und
Entwicklungsstandorte befinden
sich in England und Israel. Das europäische Zentrallager in Deutschland wurde 2012 in Betrieb genommen. Von hier aus beliefert TDKLambda 8000 Kunden in 80 Ländern mit mehr als 24.000
Sendungen im Jahr. Bei einem
Einkaufsvolumen von rund 38
Mio. € werden die Produkte u.a.
aus israelischen und asiatischen
Produktionsstätten beschafft.
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Enorm beschleunigte
Entwicklung
Durch das 2013 neu gegründete
Advanced Technology Centre in Bristol, England, schaffte es TDK-Lambda die Entwicklungen bei neuen Stromversorgungstechnologien exorbitant zu beschleunigen. Das
Team vor Ort konzentriert sich dabei ausschließlich auf die verschiedenen Aspekte
der Stromversorgungsentwicklung, darunter
Algorithmen für Digitalsteuerungen sowie
neue Topologien und innovative thermische
und mechanische Designs und Technologien. Der Standort Bristol wurde gewählt, da
er in unmittelbarer Nähe von zwölf der größten Universitäten in England liegt, alle mit
dem Schwerpunkt MINT (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik). Dadurch hat sich TDK-Lambda Zugang zu einem
der größten Talent-Pools an TechnologieProfis erschlossen.
Stetiges Wachstum seit etli­
chen Jahren
Der Wettbewerbsvorteil von TDK-Lambda
stützt sich auf die langjährigen Erfahrungen
im Bereich konfigurierbare (modulare)
Stromversorgungen, wie auf hocheffiziente,
digital gesteuerte Stromversorgungen mit
kompakter Bauform. Die Wachstumsraten
liegen seit Jahren stets bei 6% bis 8%. Auch
für die kommenden Jahre strebt TDK-Lambda ein weiteres Wachstum in dieser Größenordnung an und wird sich weiterhin auf digitale und konfigurierbare (modulare)
Stromversorgungen für die industrielle, medizinische Prüf- und Messtechnik konzentrieren.
Dazu investiert TDK-Lambda in ihre Standorte im In- und Ausland, gezielt in die Weiterentwicklung des Kerngeschäfts und tätigt
notwendige Investitionen in die Infrastruk-
tur. Trotz dieses stetigen Wachstums legt
TDK-Lambda traditionell viel Wert auf eine
solide finanzielle Basis und finanziert
Wachstum und Investitionen aus eigenen
Mitteln.
Hochwertige Industrie­Netz­
teile mit langer Lebensdauer
Seit vielen Jahren ist TDK-Lambda weltweit
mit 16% ungeschlagener Marktführer im Bereich qualitativ hochwertige Industrie-Netzteile mit langer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit mit einem Wirkungsgrad von
bis zu 96%. Alle Netzteile entsprechen den
internationalen und europäischen Normen
in Bezug auf Funkentstörung und elektrische
Sicherheit. Der universelle Eingangsspannungsbereich ermöglicht den weltweiten
Einsatz der Netzteile.
Prüfsiegel, Zertifizierungen und
Zulassungen
TDK-Lambda ist nach dem Qualitäts-Management-System ISO 9001:2008 sowie nach
dem Arbeitsschutz-Management-System
OHSAS 18001 zertifiziert. Das Unternehmen
hat zusätzlich ein Umwelt-ManagementSystem auf Basis der ISO 14001 implementiert. TDK-Lambda ist seit 2015 offiziell als
„zugelassener Wirtschaftsbeteiligter“ (AEO
– Authorised Economic Operator) der Europäischen Union für „zollrechtliche Vereinfachung/Sicherheit“ (AEO-F) zertifiziert. Alle
Netzgeräte aus dem Hause TDK-Lambda sind
international zugelassen und tragen eine CE,
CSA und UL-Zulassung.
// TK
TDK-Lambda
www.meilensteine-der-elektronik.de
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
9
LEISTUNGSHALBLEITER // IGBT-MODULE
TITELSTORY
Die Nachfrage nach verlustärmeren
IGBTs für beispielsweise Endstufen
in Umrichtern ist weiter zunehmend.
Mitsubishi Electric entwickelte entsprechend optimierte Power Devices
und stellt jetzt weitere Module auf
Grundlage der siebten IGBT-Generation vor. Deren Chips und RFC-Dioden
haben u.a. weniger statische und dynamische Verluste. Basis der IGBTs ist
eine optimierte CSTBT-Technologie
mit einer dünneren Schichtdicke des
Chips im Vergleich zur LPT-Struktur.
Ergebnis sind deutliche Effizienzverbesserungen, ohne die Kurzschlussfestigkeit zu gefährden. Zugleich fördert eine neue Gehäusetechnologie
die Miniaturisierung und Verbesserung der Funktionssicherheit.
10
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
LEISTUNGSHALBLEITER // IGBT-MODULE
Energiespar-Module
für effiziente Umrichter
Weiter reduzierte statische und dynamische Verluste,
mehr Zuverlässigkeit sowie Design-Flexibilität waren Entwicklungsziel
bei mehr als 70 neuen Power Devices auf Basis der 7. IGBT-Generation.
I
n Motorsteuerungen werden zur Steigerung der Energieeffizienz zunehmend
Frequenzumrichter eingesetzt, die in ihrer Endstufe üblicherweise IPMs und IGBTModule zum Schalten der Ströme verwenden. Die Nachfrage nach geeigneten IPMs
mit niedrigen Verlusten, weitem Leistungsbereich und kleinen Bauformen nimmt stetig
zu. Universalwechselrichter, Servoumrichter, Aufzüge und sonstige Industrieapplikationen profitieren u.a. von einer neuerlich
reduzierten Verlustleistung und erhöhten
Zuverlässigkeit der Modul-Baureihe G1, die nachfolgend in ihren Spezifikationen skizziert wird.
Seit Mai 2016 liefert
Mitsubishi Electric ihre
neuen intelligenten PowerModule (IPM) der Baureihe G1
aus. Insgesamt sind 52 Modellvarianten in drei unterschiedlichen Gehäuseversionen erhältlich. Sie sind
mit IGBT-Chips der 7. Generation bestückt
und haben Selbstschutzfunktionen, die über
in das Modul integrierte ICs realisiert sind.
Durch Verwendung verbesserter CSTBTChips der 7. Generation mit verbesserter Ladungsträgerdichte (Carrier-Store Effect),
konnten sowohl die Verlustleistung als auch
elektromagnetische Störungen reduziert
werden. Dazu trägt ebenfalls der Einsatz von
neuen RFC-Dioden (die Abkürzung RFC steht
für Relaxed Field of Cathode) bei. Der besondere Aufbau der Kathodenseite der Chips
fördert die weitere Reduzierung der Verluste
und wirkt gleichzeitig dämpfend auf die
Überspannung bei der Kommutierung der
Freilaufdiode. Die verbesserte Gehäusetech-
nologie der Halbleiter führt zu einer Miniaturisierung der Bausteine und zu einer Erhöhung der Funktionssicherheit in Industrieanlagen. Aufgrund optimierter Ausführung
des Hauptanschlusses sind die Abmessungen des Gehäuses im Vergleich zum Vorgängerprodukt der L1-Serie um ein Drittel kleiner, was auch die Wechselrichter kompakter
und leichter macht. Mit einem neuartigen
Isolationsmaterial hat Mitsubishi Electric die
Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Module deutlich verbessert.
Zwei weitere Funktionen vereinfachen den
Entwicklungsprozess beim Kunden. Zum
einen lassen sich Fehlerursachen mit dem
Fehleridentifikationsprozess leicht aufdecken. Hierzu gehören die ÜbertemperaturÜberwachung, der Schutz bei Unterspannung sowie der Kurzschlussschutz. Aufgrund
der zweistufigen Änderung der Schaltge-
Bild 1: Die intelligenten Power-Module
der G1-Baureihe nutzen die CSTBT-Chips der
siebten Generation mit verbesserter Ladungsträgerdichte. Es gibt
sie in den drei Gehäusevarianten A, B und C.
er:
Bild
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bis
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Ele
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Quelle: PCIM-Konferenz Mitsubishi
Electric mit Dr. Gourab Majumdar
(Bild), Executive Fellow Semiconductor & Device Group, Tokyo/Japan.
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
11
LEISTUNGSHALBLEITER // IGBT-MODULE
Bild 2: Zwölf der neuen IGBT-Module der T-Baureihe
sind mit NX-Gehäuse (sechs mit Lötanschlüssen
und sechs mit Einpressstiften) für Bemessungsströme von 100 bis 600 A erhältlich.
schwindigkeit ließ sich die Abstimmung
zwischen dynamischen Verlusten und elektromagnetischen Störungen deutlich verbessern.
Auf Wunsch gibt es die IPM-Baureihe G1
mit einer bereits während ihrer Herstellung
aufgebrachten Wärmeleitpaste PC-TIM (Phase Change-Thermal Interface Material). Dieses thermisch hochleitende Material ist bei
Raumtemperatur fest und wird mit steigender Temperatur zunehmend weicher. Ein
großer Vorteil für die Anwendung liegt in der
optimierten Schichtdicke des PC-TIMs und
damit einem über die gesamte Bodenplatte
verbesserten gleichmäßigen Wärmewiderstand. Eine zusätzliche Verwendung von
Wärmeleitpaste ist somit überflüssig.
Das A-Gehäuse der G1-IPM-Baureihe bietet flexible Layouts für die Hauptanschlüsse. Bei dem 6in1-Modul können
Anwender zwischen einem geraden
oder einem L-förmigen Layout wählen;
es ist jeweils in einer Version mit Lötoder Schraubanschlüssen erhältlich.
Das 7in1-Modul gibt es mit geradem
Layout entweder als Schraub- oder Lötstiftversion. Die Gehäuseabmessungen
betragen 50 mm x 90 mm. Beim B- und CGehäuse sind die Hauptanschlüsse als L-
förmige Schraubversion ausgeführt; die Gehäuseabmessungen
betragen 55
mm x 120 mm
bzw. 85 mm x 120
mm. Alle vorgestellten Produkte sind
konform mit der RoHS-Richtlinie
2011/65/EU zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten
Auch die Module der T-Reihe
nutzen IGBTs der 7. Generation
Ab dem 30. September 2017 erweitert Mitsubishi Electric mit 17 neuen Bausteinen die
bestehenden 650- und 1200-V-IGBT-Modelle
seiner T-Baureihe für reduzierten Leistungsverlust und weiter erhöhte Zuverlässigkeit in
Industrieanlagen. Bestückt mit IGBTs der 7.
Generation (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) sorgen die neuen für 1700
V ausgelegten Module für eine geringe Verlustleistung und hohe Zuverlässigkeit in der
Anwendung. Die Modulspezifikationen erfüllen alle Anforderungen der Hersteller von
Universal-Wechselrichtern, USV-Systemen,
Photovoltaik-Anlagen, Anlagen zur Energieerzeugung durch Windkraft, Servoantrieben,
Aufzügen und sonstiger Industrieanlagen.
Bild 3: Ab März 2017 steht die LV100-Version des
New Dual-Moduls mit einer Bemessungsspannung
von 3,3 kV zur Bemusterung zur Verfügung.
„Das neue Design unserer RFC-Diode reduziert nicht nur die
Verluste, sondern vermeidet auch die bei Dioden bekannten
Snap-off- und Oszillationsphänomene.“
Gourab Majumdar, Mitsubishi Electric
12
Grundsätzlich sind alle 17 Neuvorstellungen der T-Produktfamilie für eine breite Auswahl an Wechselrichterkapazitäten vorgesehen. 12 der neuen Modelle wird es mit NXGehäuse geben (sechs mit Lötanschlüssen
und sechs mit Einpressstiften) für Bemessungsströme von 100 bis 600 A; fünf Module werden im Standardgehäuse für 75 bis 300
A geliefert. Durch die erweiterte Produktpalette sind in beispielsweise PhotovoltaikAnlagen dann Wechselrichter-Kapazitäten
für 690 V (AC-seitig) und 1000 V (DC-seitig)
möglich.
Die gegenwärtige Gehäusetechnologie erhöht die Zuverlässigkeit des bestehenden
Standardgehäuses, dennoch bleibt die verbesserte innere Struktur mit dem Standardgehäuseformat kompatibel. Ein neuartiges
Isolationsmaterial im Substrat sowie eine
Verbesserung des internen Elektrodenaufbaus ermöglichen eine Verlängerung der
durch Temperaturschwankungen beeinträchtigten Lebensdauer. Ferner ist die innere Induktivität niedriger und so die Funktionssicherheit der Anlage höher.
Verlustleistung und elektromagnetische
Interferenzen (EMI) ließen sich durch die
Verwendung von CSTBT-Chips der 7. Generation mit Carrier-Store Effect reduzieren, was
zusätzlich durch den Einsatz von RFC-Dioden (Relaxed Field of Cathode) unterstützt
wird. Die besondere Struktur auf Kathodenseite des Chips trägt zur Reduzierung der
Leistungsverluste und Unterdrückung von
Überspannungsstößen bei.
Auch beim NX-Gehäuse ist die innere Induktivität im Vergleich zu herkömmlichen
IGBT-Modulen der 6. Generation um 30%
reduziert. Zusätzlich konnte Mitsubishi mittels Solid-Cover-Technologie die durch Temperaturschwankungen beeinflusste Lebensdauer erhöhen. Hierzu wird eine mit Harz
isolierte Metallgrundplatte mit Vergussharz kombiniert. Das Vergussharz ist
ein spezielles Epoxidharz mit einer
Wärmeausdehnung, bei der die Haftung am größten ist. Als Press-FitAusführung des NX-Gehäuses ist
kein Löten erforderlich; die Modul-Pins müssen lediglich in die
Platinenbohrung eingedrückt werden, um eine sichere Verbindung herzustellen. Durch die Harzfüllung wird Siloxan,
eine im Silikonharz vorliegende niedermolekulare chemische Verbindung, reduziert
und die Gassperrwirkung, wie auf dem Markt
gefordert, verbessert.
Beim Standardgehäuse ist die innere Induktivität im Vergleich zu herkömmlichen
IGBT-Modulen der 6. Generation durch den
verbesserten inneren Elektrodenaufbau um
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
LEISTUNGSHALBLEITER // IGBT-MODULE
30% geringer. Die Thick-Metal-Substrate-Technologie reduziert die
Anzahl der Lötschichten und
erhöht aufgrund dessen die
Anzahl der thermischen Zyklen innerhalb der Lebensdauer. Das Gehäuse konnte
durch Verringerung der
Grundfläche um 24% von 80
mm x 110 mm auf 62 mm x 108
mm
verkleinert
werden
(CM600DY-24T), die Dicke der
Kupferschicht wurde verstärkt und
die Wärmeleitfähigkeit verbessert.
Wie bei den G1-Typen gibt es auf
Wunsch auch die T-Baureihe mit einem bereits ab Herstellung aufgebrachten Wärmeleitmaterial mit Phasenumwandlung. Das
thermisch hochleitende Interface-Material
ist bei Raumtemperatur fest und wird mit
zunehmender Temperatur weicher. In dem
Modul ist die PC-TIM-Dicke optimiert und
erübrigt das weitere Aufbringen von Wärmeleitpaste. Auch diese Produkte sind konform
mit der RoHS-Richtlinie 2011/65/EU zur Beschränkung der Verwendung bestimmter
gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten.
Die nächste Generation: X-Serie
der New-Dual-HV-IGBT-Module
Auch die Hochvolt-Leistungshalbleiter
gibt es in der nächsten Generation: Das
Modul X-Series New Dual HV IGBT ist für
Traktions- und Drehstromanwendungen in
der Schwerindustrie vorgesehen und darauf
optimiert, sowohl die Leistungsdichte als
auch die Effizienz von Wechselrichtern zu
erhöhen. Als Standardgehäuse soll dem Entwickler ein flexibles Design im Aufbau des
Umrichters ermöglicht werden.
Ab März 2017 steht die LV100-Version des
New-Dual-Moduls mit einer Bemessungsspannung von 3,3 kV zum Bemustern zur
Verfügung. Für die Zukunft plant Mitsubishi
Electric, die Produktfamilie um eine Version
im Spannungsbereich 1700 V und darunter
zu erweitern. Es folgen ab 2018 die HV100Versionen mit Bemessungsspannungen von
3300, 4500 und 6500 V auf den Markt.
Der Leistungsbaustein New Dual HV IGBT
deckt den Bedarf an effizienten Halbleiterbauteilen mit hoher Leistungsdichte für einen großen Leistungsbereich. Auch ihre
hohe Energieeffizienz und Leistungsdichte
wird durch Nutzung von IGBTs der 7. Generation und RFC-Dioden erreicht. Drei auf dem
LV100-Gehäuse befindliche AC-Hauptanschlüsse sorgen für eine bestmögliche Verteilung der Stromdichte. Das einheitliche
Gehäuse beider Module (LV100 und HV100)
Super
flach!
Bild 4: Nach
dem IGBT-Modul
LV100 der X-Series gibt es ab
2018 die HV100-Version (Bild) mit
den Bemessungsspannungen 1,7/3,3/4,5
und 6,5 kV in Stückzahlen.
ermöglicht vielfältige Umrichterkonfigurationen und -leistungen. Einfache Standard2in1-Anschlüsse gestatten eine optimale
Systemauslegung mit Bemessungsleistungen zwischen 1700 V/900 A und 6500 V/225
A, wodurch die Systemkonfiguration für die
Anwendungsentwickler skalierbar und viel
flexibler wird.
Durch die standardisierten Gehäuseabmessungen von 100 mm x 140 mm x 40 mm
können Industrieelektronik-Hersteller das
Design vereinfachen und mehrere Bezugsquellen für ihren Wechselrichter sicherstellen. Zudem ist das neue Standard-Gehäuse
mit den Anschlüssen von Infineon Technologies kompatibel. Eine verbesserte Gehäusetechnologie und geringe Parasitärinduktivität tragen nicht zuletzt ebenfalls zur bestmöglichen Leistung der Module bei.
Heute blickt Mitsubishi Electric auf mehr
als 20 Jahre Erfahrung in der Entwicklung
und Produktion von Power-Modulen zurück.
Die umfassende Kompetenz reicht von der
Chip-Technologie bis zum Package-/ModulDesign. Mit dieser Expertise folgt man kontinuierlich dem Markttrend hin zu kompakteren Modulen mit verbessertem Wirkungsgrad. Im Mittelpunkt aktueller und künftiger
Design-Ziele steht u.a. die Nutzung und
Entwicklung neuer Materialien und neuer
Herstellungsprozesse. Zum weiten Einsatzbereich der Leistungshalbleiter gehören
HGÜ, Bahntechnik, alternative Energie, Motorsteuerungen, Automotive, USV, Weiße
Ware, Medizintechnik, Aufzüge, Fahrtreppen, Schweißtechnik und Pumpen. // KU
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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
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LEISTUNGSHALBLEITER // BREMS- UND LASTWIDERSTÄNDE
Die Ansprüche ändern sich:
Lösungen für neue Anforderungen
Trotz aller Energiesparmaßnahmen der EU: In sicherheitsrelevanten
Applikationen der elektrischen Antriebe besteht auch künftig die
Anforderung, bei Netzausfall auf Bremswiderstände zurückzugreifen.
JOACHIM KLINGLER *
Bild 1: Beispiel für die besonders kompakte
Ausführung eines Leistungswiderstands
(Stahlgitterwiderstand) für eine kurzzeitige
Energieaufnahme von 6 MJ.
D
ie unterschiedlichen Anforderungen
an passive Bauelemente, speziell an
Leistungswiderstände, machen auch
sehr differenzierte Lösungen notwendig. Wesentliche Parameter bei Leistungswiderständen sind die Leistung und der Widerstandswert. War auf diese zwei Parameter in der
Vergangenheit quasi das Hauptaugenmerk
gerichtet, so gewinnen durch leistungsfähigere Elektronik, geänderte Normvorschriften
* Joachim Klingler
... ist stellvertretender Vertriebsleiter
bei FRIZLEN, Murr.
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und politische Vorgaben zunehmend andere
Parameter an Bedeutung. Auch können, getrieben durch weltweiten Wettbewerb, seither eingerechnete Sicherheiten oft nicht
mehr in altbewährter Weise vorgehalten
werden.
So sind heute beispielsweise nicht nur in
der Entwicklung tiefere Kenntnisse der eingesetzten Produkte notwendig, die vielfach
über die Datenblattangaben der Hersteller
hinausgehen. Durch verschärfte Sicherheiten und umfangreichere Nachweispflichten
sind auch aufwändigere Test in der Entwicklungsphase unumgänglich. Stellvertretend
für die Vielfalt der Forderungen sollen die
nachfolgenden Beispiele unterschiedliche
Anforderungen und neue Lösungsansätze
dazu aufzeigen.
Die Energiesparverordnung
erfordert ein Umdenken
Obwohl in der Automatisierung und in der
Antriebstechnik das Einsparen elektrischer
Energie weiter an Bedeutung gewinnt, auch
und besonders gefordert durch die Energiesparrichtlinien der EU, nimmt die Zahl der
Applikationen kontinuierlich zu, bei denen
Leistungswiderstände zum Einsatz kommen.
Ihre Aufgabe ist es beispielsweise Bewegungsenergie abzuführen bzw. durch Strombegrenzung Bauteile vor Überlast zu schützen.
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LEISTUNGSHALBLEITER // BREMS- UND LASTWIDERSTÄNDE
Bild 2: Der DC-Überlastschalter Powerswitch dient
zum Schutz von Widerständen vor dauernder Überlast und vor kurzzeitig zu hohen Leistungsspitzen,
die über den normalen Pulslastbetrieb hinausgehen. Er ist spezifiziert für max. 850 VDC und 40 A.
Frequenzgeregelte Antriebe benötigen Widerstände zum Abbremsen des Antriebes.
Durch optimal bemessene Leistungswiderstände ist es möglich, hochdynamische Maschinen zu realisieren, die durch schnelles
Beschleunigen im Wechsel mit schnellen
Bremsvorgängen wirtschaftliche und effektive Produktionsprozesse ermöglichen. Das
steht zwar im allgemeinen Widerspruch zu
den Bemühungen um einen möglichst geringen Energieverbrauch, ist jedoch mit Abstand die wirtschaftlichste Methode, leistungsfähige dynamische Antriebe zu bauen.
Vermehrter Einsatz von Rückspeiseeinheiten und Zwischenkreiskopplung verändern
hierbei die Anforderungen an Bremswiderstände. Waren Widerstände seither dimensioniert auf wiederkehrende Spitzenbremsleistungen, so werden Widerstände in diesen
Fällen bevorzugt auf einmalige Bremsvorgänge innerhalb bestimmter Intervalle ausgelegt. Der Fokus wechselt damit von einer
Dauerleistungsbetrachtung in Intervallen
hin zu einer Kurzzeitleistungs-bzw. Energiebetrachtung für Einzeleinsätze mit größeren
dazwischen liegenden Pausen.
Die Sicherheit
in den Anwendungen geht vor
Das Thema Sicherheit in der elektrischen
Antriebstechnik hat höchste Priorität. Daher
sind bestimmte Anlagenteile innerhalb vorgeschriebener Zeiten gefährdungsfrei stillzusetzen, sofern ein Notfall eintritt bzw. ein
Not-Aus betätigt wird. Dies könnte u.a. mechanisch erfolgen.
In sicherheitsrelevanten Applikationen
besteht aber oft die Anforderung, bei Netzausfall trotzdem auf Bremswiderstände zurückzugreifen, um nicht auf eine mechanische Bremsung angewiesen zu sein. Die
Vorteile einer elektrischen Bremsung liegen
klar in einer einstellbaren materialschonenden Bremsrampe sowie einem verschleißfreien und damit wartungsfreien Bremsvorgang.
Gegenüber einer möglichen Rückspeisung
der Energie im Notfall sind Widerstände wesentlich störungsunempfindlicher gegenüber äußeren Umwelteinflüssen, wie z.B. die
der vorhandenen Netzqualität, die ja für eine
erfolgreiche Rückspeisung Voraussetzung
ist. In Netzen mit schlechter oder wechselnder Netzqualität kann eine Rückspeisung
eventuell auch schon von vornherein ausgeschlossen werden.
Widerstände für diese sogenannten NotAus-Anwendungen werden völlig anders
dimensioniert. Hier ist einzig und allein die
Menge der in der Applikation gespeicherten
kinetischen Energie entscheidend, gepaart
mit der Anforderung innerhalb welcher Zeit
ein Antrieb stillgesetzt werden muss (diese
kann von wenigen Millisekunden bis hin zu
Minuten reichen).
Die Leistungswiderstände
schützen bei Überlast
Bremswiderstände bedeuten bei Normalbetrieb immer gleichzeitig auch Wärmeentwicklung, da die zugeführte überschüssige
Energie innerhalb der Bremswiderstände in
Wärme umgewandelt wird. Außerhalb der
Nennbedingungen betrieben kann es dabei
bis zum Brand des Leistungswiderstands
kommen, mit entsprechendem Schadenspotenzial für die umgebenden Komponenten,
beispielsweise im Schaltschrank.
FRIZLEN bietet gekapselte Widerstände
an, die durch ihre geschlossene Bauart eigensicher ausgeführt sind. Sie lassen sich
dann charakteristisch mit einer Gleichstromsicherung vergleichen. Abhängig von Spannungshöhe, Widerstandswert und Belastungsdauer werden intern Maßnahmen getroffen, um bei Überlast eine sichere interne
Trennung zu gewährleisten.
Sofern die Betriebs- und Fehlerbedingungen bekannt sind, ist im Gegensatz zu Halbleiter-Sicherungen eine sehr gute Anpassbarkeit und damit gute dynamische Ausnutzung
der jeweiligen Applikation möglich. Wirtschaftlich sind diese gekapselten Widerstände im Bereich bis etwa 1000 Watt Dauerleistung, darüber hinaus kann ein FRIZLEN-DCPowerswitch zum Einsatz kommen.
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LEISTUNGSHALBLEITER // BREMS- UND LASTWIDERSTÄNDE
Bild 3: Beispiel eines Belastungswiderstands im 19-Zoll-Rack für eine Vielzahl von Anwendungen. Es gibt ihn
mit variabler Bauhöhe und Einschubtiefe.
Bild 4: Beispiel eines Schiebewiderstands für Lastund Prüfzwecke
Einhaltung dieser Regeln werden zusätzliche
Filterelemente benötigt, die wiederum in
Ihren Grundelementen aus Kombinationen
von Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungswiderständen bestehen. Spezielle Entwicklungen gehen hin zu multifunktionalen
Widerständen die in ein und demselben
Bauelement ohmsche und induktive Anteile
vereinen. So werden in der Endanwendung
nicht nur Bauteile und Platz, sondern vor
allem Montage- und Installationskosten eingespart.
Bild 5: Ein wichtiges Einsatzgebiet für diesen
gekapselten Bremswiderstand ist der elektrische
Antrieb (Vierquadrantenbetrieb) mit Frequenzumrichtern (eigensichere Bremswiderstände bis 18 kW
Dauerleistung).
Bild 6: FRIZLEN bietet gekapselte Widerstände an,
die durch ihre geschlossene Bauart eigensicher
ausgeführt sind (hier Stahlgitterwiderstand T600
mit DC-Powerswitch). Mit dem Schalter werden
Bremswiderstände eigensicher überwacht.
Mit dem DC-Powerswitch können Bremswiderstände unabhängig von ihrer Bauart
eigensicher überwacht werden, sodass ein
Fehler durch rechtzeitiges Abschalten verhindert wird. Durch die skalierbare Ausführung erfolgt die Anpassung exakt an die jeweilige Applikation. Die volle Dynamik für
den Antrieb ist damit gewährleistet. Das
Potenzial der Bremswiderstände kann damit
vollständig ausgenutzt werden, ohne es zu
überschreiten.
Zudem sind diese Bremswiderstände mit
UL-Zulassung für den amerikanischen und
kanadischen Markt erhältlich. Im Aufbau
ähnlich zu einem AC-Motorschutzschalter
erkennt der DC-Powerswitch Überlasten am
Bremswiderstand, schaltet die Widerstandslast ab und meldet die Abschaltung über
einen Meldekontakt. Anschließend kann der
DC-Powerswitch wie ein Motorschutzschalter durch Schalterumlegen wieder in Betrieb
gesetzt werden. Der DC-Powerswitch ist auch
als Nachrüstlösung im Schaltschrank integ-
rierbar. Er wird dann zwischen den Frequenzumrichter und den Bremswiderstand geschaltet und sichert so neben dem Bremswiderstand auch noch die Zuleitung ab.
Ob der Einsatz des DC-Powerswitch technisch möglich ist, kann mit einer einfachen
Rechnung ermittelt werden: Der Nennstrom
des Bremswiderstands muss dafür unterhalb
von 40 A liegen. Größere Nennströme oberhalb von 40 A können durch Parallelschaltung mehrerer Teilwiderstände abgesichert
werden.
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Multifunktionale ohmsche
und induktive Widerstände
Diverse Vorschriften, wie beispielsweise
Netzanschaltbedingungen, sind gegenüber
den öffentlichen Energieversorgern bei der
Ein-/ bzw. Rückspeisung von regenerativer
Energie ins öffentliche Netz einzuhalten um
Störaussendungen und zusätzliche Netzbelastungen durch etwa Oberschwingungen
auf ein bestimmtes Maß zu begrenzen. Zur
Lasten für Prüfung
und Simulation
Ob als Prüf- und Lastwiderstand von Spannungsquellen im Labor oder zur thermischen
und elektrischen Simulation von Servern in
Rechenzentren: Diverse Ausführungen von
Lastwiderständen von 100 W bis 500 kW sind
lieferbar. Das Portfolio umfasst beispielsweise Schiebewiderstände kleinerer Leistung,
fahrbare Prüfwiderstände, Leichtbauausführungen geeignet für den PKW-Transport oder
Lastwiderstände zur Aufstellung im Freien
mit großen Leistungen.
Darüber hinaus gibt es die neue Baureihe
eines Belastungswiderstandes mit 19-ZollFormfaktor. Dieser Widerstand ermöglicht
eine Vielzahl von Anwendungen und ist noch
dazu gut aufgeräumt im 19-Zoll-Gehäuse.
Variable Bauhöhen und Einschubtiefen bieten gute Kompatibilität zu allen gängigen
19-Zoll-Racks.
Gleichzeitig kann durch den Einsatz verschiedener Schalter, Stufenzahlen und Anzeigegeräte gezielt auf die Anforderungen der
jeweiligen Anwendung eingegangen werden;
mit mehreren Modulen lässt sich die Gesamtleistung aufstocken.
// KU
FRIZLEN
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
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LEISTUNGSELEKTRONIK // POWER-MANAGEMENT-MODUL
Micro-PMIC organisiert
Leistungsverbrauch in Wearables
Am Beispiel einer Smart-Watch-Schaltung wird gezeigt, wie ein MicroPMIC (Micro-Power-Management-IC) unterschiedliche Spannungen für
Sensoren, Wireless-Module, Prozessor und BLDC-Motor bereitstellt.
MARK SHEPHERD, THOMAS KAIL, STEPHAN KRESZL *
* Mark Shepherd
... ist Field Application Engineer bei ams USA.
Thomas Kail
... ist Produktmanager für Power-ManagementProdukte bei ams in Premstätten, Österreich.
Stephan Kreszl
... ist Hardware Application Engineer bei ams,
Premstätten.
18
Bilder: ams
S
eit einigen Jahren haben Smartphones
den Gold-Standard hinsichtlich kompakter Lösungen für Leistungssysteme
festgelegt. Inzwischen haben auch gegensätzliche Design-Anforderungen ihren Höhepunkt erreicht: etwa die lange Betriebszeit
des Akkus einerseits und die Verkleinerung
jeder Komponente andererseits, einschließlich des Akkus. Im Entwurf von Smartphones
und Tablets bestand das effektivste Konzept
in Richtung Miniaturisierung in der Integration, d.h. im Kombinieren möglichst vieler
Funktionsblöcke des Leistungssystems in
einem einzigen Power-Management-IC
(PMIC).
Es ist festzustellen, dass Hersteller von
Wearable-Elektronik den Gold-Standard angehoben haben. Die Nachfrage nach Leistungsdichte ist hier sogar noch größer als bei
Smartphones oder Tablets. Genauso wie ein
Smartphone sind in Wearables eine Vielzahl
Sensoren, Module für die Drahtlosübertragung und periphere Benutzerschnittstellen
um einen Prozessorkern enthalten.
Der Formfaktor ist allerdings mehrfach
kleiner, und der für einen Akku verfügbare
Platz ist sehr gering. Doch wie aus der Reaktion der Verbraucher auf die ersten SmartWatches hervorgeht, liegt den Benutzern viel
an der Akkulaufzeit. Sie sind entschieden
gegen die Vorstellung, dass sie ihre Wearables häufiger aufladen müssen als ihr Smartphone oder ihr Tablet.
Paradoxerweise haben bislang Entwickler
von Wearables die Strategie der Integration
abgelehnt, die den Smartphone-OEMs so gut
gedient hat. Dies ist insofern nicht überra-
Bild 1: Typischer Aufbau einer Smart-Watch. Die Teilenummern in Funktionsblöcken sind von Geräten, die
von ams hergestellt wurden.
schend, da die Kategorie der Wearables in
der Tat vielzählige Gerätetypen abgedeckt
hat. Ein PMIC zu entwickeln, der in der Lage
ist, mehrere verschiedene Geräte zu unterstützen, war in der frühen Phase des Wearables-Marktes alles andere als einfach. Mittlerweile haben sich aber klare Trends bei der
Entwicklung von Systemen bewährt (etwa
Smart-Watches und Fitness-Armbänder).
Dies wiederum führt zur Einführung einer
neuen Klasse an Micro-PMICs; diese versprechen, die passende Lösung zum Problem der
Leistungsdichte von Wearables zu bieten.
Die Entwicklung
des typischen PMIC-Marktes
Wenn Entwickler von Leistungssystemen
an Power-Management-ICs denken, dann
stellen sie sich in der Regel große und leistungsstarke Bausteine vor, die für spezifische
Prozessorfamilien optimiert sind und von
den verschiedenen Prozessorherstellern wie
Qualcomm, Nvidia und Intel geschaffen werden. Solche PMICs sind der ideale Begleiter
für deren Prozessor und bieten die richtige
Kombination an regelbaren Versorgungsspannungen in einem kleinen Gehäuse, welches die erforderlichen Pfade zur Wärmeableitung bietet – auch angesichts der zu erwartenden Lasten.
Einige weniger verbreitete Prozessoren
verfügen nicht über einen PMIC. Kommt jedoch ein Prozessor mit PMIC-Unterstützung
zum Einsatz, dann hat das deutliche Vorteile für die Anwendung. In der Tat hat sich der
Markt in der Smartphone- bzw. Tablet-Branche auf die Wahl von nur ein oder zwei dominierenden Prozessorfamilien konzentriert.
Für den Wearables-Markt hat sich die Prozessorauswahl nicht im gleichen Ausmaß konsolidiert. Dadurch fehlt Halbleiterherstellern
die Möglichkeit, gängige Prozessor-Spezifikationen zu nutzen, an die sie einen neuen
PMIC für Wearables anpassen können.
Der OEM-Entwickler sollte erwarten, einen
gängigen PMIC zu finden, der genau seinen
Anforderungen entspricht. Selbstverständlich könnte ein solcher PMIC, der für den
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Power
Bauteile
LEISTUNGSELEKTRONIK // POWER-MANAGEMENT-MODUL
Devices
Bild 2: Strukturdiagramm zum AS3701, der
in einer üblichen SmartWatch-Konstruktion
verwendet wird.
Bild 3: Der Micro-PMIC AS3701A umfasst mehrere
Spannungsversorgungsblöcke und eine AkkuLadeeinheit.
breiten Wearables-Markt einsetzbar ist, für
eine bestimmte Applikation entweder nicht
alle Systemanforderungen zur Gänze erfüllen oder aber auch nicht notwendigerweise
verwendbare Funktionen enthalten. Ersteres
würde zusätzliche separate Leistungskomponenten erfordern, die den Vorteil einer
kompakten PMIC-Lösung zunichte machen.
Letzteres würde den Eigenverbrauch, die
Kosten und die Größe des PMIC unnotwendig
erhöhen, was keine optimale Lösung darstellt.
Wenn die Prozessor-Vielfalt den Einsatz
eines gängigen Power-Management-ICs nicht
ohne weiteres zulässt, dann läst sich dennoch ein Weg zur Regelung des Leistungsbedarfs finden. Bild 1 zeigt den Schaltungsaufbau einer Smart-Watch. Die MCU könnte aus
einer sehr großen Auswahl an gängigen
Geräten entnommen sein, die einen ARMProzessorkern verwenden. Als Ganzes ist die
grundlegende Systemstruktur vielen SmartWatches gemein, um den gleichen Verbraucheranforderungen für Biometrik- und Um-
gebungssensorik, Positionsinformationen
sowie Verbraucher- und Kommunikationsschnittstellen gerecht zu werden. Wenn
PMIC-Hersteller somit diese gemeinsame
Struktur als ihren Standard verwenden, ist
es möglich, eine integrierte Lösung für das
Leistungssystem von Wearable-Geräten zu
entwickeln, die genau oder fast genau dem
Energiebedarf von vielen OEM-Produkten
entspricht. Hauptprozessor, Bluetooth- und
GPS-Module können mit einer 1,8-V-Versorgung arbeiten. In der Regel ist das durch den
Einsatz eines Abwärtswandlers möglich.
Andere Funktionsblöcke erfordern eine
3-V-Versorgung. Dazu gehören das Display
und die Sensoren wie der HerzfrequenzMonitor (im Bild 1 durch das Biosensor-Modul des AS7000 von ams dargestellt). Darüber hinaus erfordert ein bürstenloser Gleichstrom-Motor (BLDC), welcher haptische
Rückmeldung liefert, eine eigene getrennte
Versorgung mit Leistungspulsen. Das konventionelle Konzept zum Gestalten dieses
Leistungssystems erfordert den Einsatz von
mehreren separaten Leistungsbausteinen:
ein eigenständiges Akkuladesystem, ein Abwärtswandler für die 1,8-V-Versorgung, ein
haptischer Rückmeldungstreiber oder LDO
für den BLDC-Motor und ein LDO für das Display und ggf. für Sensoren, die mit einer 3-VVersorgung arbeiten.
Dieses Konzept verhindert die Miniaturisierung und erfordert viel Platinenfläche
innerhalb des Gesamtsystems. Hinzu kommen Probleme bei der Platinenstruktur, etwa
Störstrahlung, Bestückungskosten sowie die
veringerte Zuverlässigkeit des Gesamtsystems durch das Verwenden vieler Komponenten.
Im Gegensatz dazu ist ein Micro-PMIC
leichter in die Konstruktion zu integrieren
und bietet eine einfachere Platinenstruktur.
Wie dies erfolgen kann, verdeutlicht der Bau-
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
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LEISTUNGSELEKTRONIK // POWER-MANAGEMENT-MODUL
Bild 4: Effizienzkurven
des 500-mA-Gleichstromwandlers AS3701.
Bild 5: Die Spitzen-Ausgangsspannungswelligkeit des Gleichstromwandlers liegt unter
dem tolerierten 50-mVHöchstwert typischer
GPS-Funkmodule (Versorgungsspannung 3,7
V, Ausgangsspannung
1,8 V, Ausgangsstrom
20 mA, Schaltfrequenz
2 MHz im rauscharmen
Modus). Die Ausgangswelligkeit beträgt 14,4
mV.
stein AS3701, ein von ams entwickleter Micro-PMIC für Wearables. Dieses Bauteil ist für
den in Bild 1 gezeigten Systemtyp optimiert.
Die gewonnene Platzersparnis ist beträchtlich: Der AS3701 wird in einem 4 mm2 kleinen
CSP-Gehäuse mit einem Raster von nur 0,4
mm geliefert. In diesem Gehäuse sind eine
voll ausgestattete Akku-Ladeeinheit mit internem Versorgungspfad, mehrere Spannungsversorgungsblöcke, Schutzstrukturen,
Start-Sequenz-Programmierung und eine
I²C-Schnittstelle zum Prozessor enthalten.
Die erforderliche PCB-Fläche des AS3701
ist platzoptimiert; Bild 2 zeigt die Platinenstruktur für das Wearable aus Bild 1. Drei
innenliegende Anschlüsse des AS3701 wurden bewusst entfernt, um Durchkontaktierungen zu vereinfachen.
Wie gut kann ein solcher Micro-PMIC mit
minumalisierter PCB-Fläche den komplexen
Energiebedarf einer Smart-Watch decken? Im
Fall des AS3701A umfassen die mehrfachen
Spannungsversorgungsblöcke zwei 200-mALDOs, einen 500-mA-Gleichspannungs-Abwärtswandler sowie zwei 40-mA-program-
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mierbare Stromsenken/GPIOs (Bild 3). Wie
aus Bild 1 ersichtlich, wird die 5-V-Versorgung
zu den LEDs des AS7000 nicht durch den
AS3701A bereitstellt; diese erfolgt durch einen separaten Spannungswandler (diskreter
Aufwärtswandler).
Der synchrone Abwärtswandler integriert
Energiesparfunktionen: Dynamische Spannungsskalierung und wählbare Frequenzen
in einem Bereich von 1 bis 4 MHz ermöglichen bestmögliche Effizienz für verschiedene Lastfälle. Bild 4 zeigt die hohe Effizienz
für Lasten zwischen 1 und 300 mA.
Rauschen und Entwärmung als
weitere Anforderungen
Während Leistungsdichte und lange Akkulaufzeit zu den wichtigsten Anforderungen für das Leistungssystem von Wearables
gehören, sind u.a. auch Mindestleistungsanforderungen hinsichtlich Rauschen und Entwärmung zu erfüllen. GPS-Module reagieren
bei Spitzenspannung besonders empfindlich
auf Netzversorgungsrauschen. 50 mV ist in
der Regel der zulässige Höchstwert; der
Bild 6: Der Screenshot zeigt das Design-Tool (GUI)
des Evaluation-Board zum Micro-PMIC AS3701A.
Gleichstromwandler von AS3701A bietet dazu eine große Sicherheitsmarge (Bild 5).
Die meisten Lastanforderungen, die der
Micro-PMIC einer Smart-Watch genügen
muss, liegen deutlich unter 50 mA. Die Sensoren nehmen tendenziell mehrere 10 µA
Strom auf. Dies bedeutet, dass die thermische Belastung so gering ist, dass sie das
Micro-PMIC-Gehäuse problemlos bewältigen
kann.
Die höchste Spitzenspannung erfordert
der BLDC-Motor bei einem Einschaltstrom
bis zu 100 mA, der nach dem Start schnell
wieder abfällt. Die anfängliche Einschaltspannung muss zudem hoch genug sein, um
den Datenblattanforderungen zu entsprechen. Dafür sorgt der im AS3701 integrierte
programmierbare LDO-Regler, der eine breiten Palette an Spannungseinstellungen anbietet. Die entsprechende Programmierung
erfolgt via I2C-Schnittstelle, um den PulsBetrieb des Motors zu realisieren. Dazu wird
die Ausgangsspannung dynamisch geändert, sodass Rampen-Effekte und feine Vibrationsprofile möglich sind.
Weitere Vorteile
des Micro-PMIC-Konzepts
Die Verwendung eines Micro-PMIC hat
zusätzliche Vorteile zu den gezeigten. Dazu
gehört die einfache Montage nur eines einzelnen Bauteils. Aber ein Micro-PMIC bietet
auch Vorteile in der Bedienung. Bild 6 zeigt
einen Screenshot der grafischen Bedienoberfläche, die zusammen mit dem EvaluationBoard des AS3701 geliefert wird. Die GUI ermöglicht Einschalt-Sequenzierung und Konfiguration des Ladevorgangs für eine Vielzahl
von Akkutypen. Über die I2C-Schnittstelle
können zu jeder Zeit all diese Register vom
Prozessor aus überschrieben werden. // KU
ams
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Good EMI, Compliant
with
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Low Dropout Voltage
3 for Automotive Cold Crank
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www.monolithicpower.com
© 2016 Monolithic Power Systems, Inc. Patents Protected. All rights reserved.
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LEISTUNGSHALBLEITER // ANTRIEBSELEKTRONIK
Herausforderungen an Gate-Treiber
und Stromsensorik
Nicht ideale Gegebenheiten in der Stromschleife haben unerwünschte
Auswirkungen auf die Motorsteuerung. Der Beitrag zeigt eine Lösung
zur Gate-Ansteuerung mit Isolation und Pegelanpassung.
Bilder: ADI
STEFAN HACKER *
Bild 1: Drei mögliche Architekturen für die Isolationsbarriere.
I
n modernen Motor-Control-Systemen
wachsen die Anforderungen an die Elektronik stetig: steigende Betriebsspannungen am Zwischenkreis des Inverters erfordern neue Komponenten mit höherer Isolationsfestigkeit zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter und zur Messung des Stroms
in den Phasen des Motors. Technisch bedingte Totzeiten bei der Ansteuerung der Leistungsstufe verschlechtern dabei die sinusförmige Rekonstruktion der Phasenspannungen aus dem Zwischenkreis und müssen zur
Effizienzsteigerung minimiert werden. Parasitäre und interne Kapazitäten des Steuereingangs des Treibers, verbunden mit hohen
Schaltgeschwindigkeiten, benötigen zusätzliche Schutzmaßnahmen am Treiber, um
einen Durchbruch und die Zerstörung der
Halbbrücke zu verhindern. Zusätzlich ist in
vielen Anwendungen der Strom mit hoher
Genauigkeit und Dynamik zu erfassen, damit
die Welligkeit des Drehmoments im elektrischen Antrieb minimiert wird.
Ein Motor-Control-System besteht aus einer Netzspeisung, die gleichgerichtet wird
* Stefan Hacker
... Motor Control System Specialist bei
Analog Devices, München.
22
und einen Zwischenkreis speist. Geschicktes
Ansteuern der Leistungshalbleiter macht aus
der Spannung im Zwischenkreis wieder ein
amplituden- und frequenzveränderliches
Signal am Motor. Dies geschieht in einem
Regelkreis, der als Messgröße den Strom erfordert.
Ein solches System kann verschiedene
Isolationsarchitekturen aufweisen, Bild 1
liefert die drei möglichen Ansätze a, b und c
(vlnr). Zur Sicherheit des Benutzers und weiterer Komponenten des Systems, muss die
Kommunikation mit der Motor-Control-Plattform immer isoliert sein. Hohe Spannungen
am Zwischenkreis bedingen weitere Isolationslagen zur sicheren Überbrückung der
Isolationsbarriere. Bild 1b zeigt dabei nur
eine Lage, wie sie heute in vielen Systemen
angetroffen wird, während Bild 1c die Aufteilung der Barriere in zwei Lagen verdeutlicht: der Zwischenkreis und der eingesetzte
Controller sind funktional isoliert, eine zweite Lage schützt nochmals die Kommunikationsschnittstelle und damit den Benutzer.
Bild 2 zeigt den Aufbau der Halbbrücke
einer einzelnen Motorphase des Inverters
und die verbundenen Anforderungen: Prozessoren zur Ansteuerung des Gates des Leistungshalbleiters liefern nur unipolare Kleinsignale, die verstärkt werden müssen. Das
Schalten des oberen Gates und des unteren
Gates ergibt zudem eine Potenzialdifferenz
bzw. eine Verschiebung des Bezugspunkts
des Motors zum restlichen System. Auch der
Shunt in der Motorphase weist einen deutlich verschobenen Bezugspegel zum Controller auf. Im praktischen Einsatz ist sicherzustellen, dass die Treiber einer Motorphase
nur abwechselnd durchgesteuert werden
und zu keiner Zeit gleichzeitig eingeschaltet
sind, da sonst ein Kurzschluss die Leistungshalbleiter zerstören könnte, auch wenn dieser nur von sehr kurze Dauer ist. Eingefügte
Totzeiten zwischen der Ansteuerung des
oberen und des unteren Gates der Halbbrücke helfen, begrenzte Schaltgeschwindigkeiten der Leistungshalbleiter zu kompensieren
und ermöglichen somit ein zerstörungsfreies
Schalten. Große Totzeiten verschlechtern
jedoch die Effizienz des Systems und erzeugen Oberwellen.
Eine galvanische Isolation der verschiedenen Potenziale im Gate-Treiber und in der
Stromsensorik trennt den Eingang vom Ausgang und überbrückt dabei die Isolationsbarriere. Für die Shunt-basierte Strommessung in der Motorphase haben sich SigmaDelta Modulatoren wie z.B. der AD7403 aus
der AD740x-Familie durchgesetzt, da nur
zwei Signale zu isolieren sind: ein Taktsignal, das entweder intern erzeugt oder extern
angelegt wird, und der Datenausgang des
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
LEISTUNGSHALBLEITER // ANTRIEBSELEKTRONIK
Modulators. Im Gegensatz zur ADCs mit sukzessiver Approximation (SAR ADC) ist das
Ausgangssignal pulsdichte codiert und muss
erst zu einem Datenwort rekonstruiert werden. Ein SINC-Filter mit Dezimation im Empfänger reduziert die Pulsfolge am Ausgang
des Wandlers zur Wortrate der Abtastung.
Das direkte Ausgangssignal des Modulators
eignet sich nicht für die Regelung, da die
Datenrate zu hoch ist und die Auflösung nur
ein Bit beträgt. Für eine effiziente Regelung,
die den Abtastzeitpunkt der Strommessung
mit der PWM-Schaltfrequenz synchronisiert,
wird die Durchlaufzeit des SINC-Filters benötigt, welche von der Ordnung, der Dezimationsrate und der Modulatorfrequenz abhängt. Damit lässt sich das Timing für den
Motor-Control-Regelalgorithmus aufstellen,
eine Vergleichbarkeit zur Regelung mit klassischer SAR-Abtastung ist gegeben.
Der Baustein AD7403 ist ein hochauflösender Sigma-Delta-Modulator, dessen Isolationsbarriere 5 kV standhält und Arbeitsspannungen von 1250 V zulässt. Die Isolationsbarriere im Chip ist so aufgebaut, dass sie
auch die Anforderungen einer verstärkten
Isolation erfüllt. Mit einer Auflösung von 16
Bit und 88 dB Signal-Rausch-Abstand (SNR)
erlaubt der Baustein hochgenaue und dynamische Regelungssysteme aufzubauen und
die Welligkeit des Motordrehmoments zu
reduzieren. Bei einer Normbelastung des
Bauteils ist die Lebensdauer der Isolationsbarriere auf mindestens 50 Jahre Betriebszeit
ausgelegt.
Für Motorsteuerungen eignet sich gut der
ADSP-CM408F-Prozessor aus der ADSPCM40xF-Familie mit ARM-Cortex-M4F-Kern,
da durch den integrierten SINC-Filter-Block
der Datenstrom des Modulators rekonstruiert
werden kann. Der Prozessor arbeitet schnell
genug, um komplexe Algorithmen für meh-
Bild 2: Genaue Betrachtung der Ansteuerung einer Motor-Phase.
rere Achsen abzuarbeiten und kann über die
integrierte PWM-Peripherieeinheit auch entsprechende Steuersignale für die Leistungshalbleiter erzeugen.
Bild 3 zeigt die technische Lösung der Gate
Ansteuerung mit der Isolation und Pegelanpassung für die Treiberstufe. Durch schnelles
Schalten erzeugt der Leistungshalbleiter eine
große Spannungsänderung innerhalb sehr
kurzer Zeit und am oberen Gate können Transienten entstehen. Mit den Kapazitäten des
unteren Gates und seiner Ansteuerung ist ein
unbeabsichtigtes Wiedereinschalten des unteren Halbleiters zu befürchten. Dieser von
Miller zuerst beobachtete Effekt ist unbedingt zu verhindern, denn im Fehlerfall wird
die ganz Halbbrücke leitend. Abhilfe schafft
eine zuschaltbare Miller-Clamp im GateTreiber für das sichere Ableiten der erzeugten
Transiente.
Mit dem ADuM4135 steht ein neuer GateTreiber mit eingebauter Miller-Clamp und
Erkennung von Desaturierungszuständen
am Treiber zur Verfügung. Die Besonderheit
des Gate-Treibers ist eine sehr geringe Durchlaufverzögerung von 55 ns durch die Isolationsbarriere und eine typische Serienstreuung von nur 15 ns. Zudem ist der Baustein
mit 100 kV/µs sehr unempfindlich gegen
leitungsgebundene Transienten (CMTI). Die
Isolationsspannung liegt ebenfalls bei 5 kV
und die Arbeitsspannung beträgt bis zu 849
V. Die Isolationsbarriere im Baustein erfüllt
wie am Sigma-Delta-Modulator die Anforderungen einer verstärkten Isolation. Ergänzend zur Miller-Clamp kann auch eine bipolare Versorgung des Bausteins gewählt werden, welche den Ausgang mit einem negativen Pegel vorprägt und zusätzliche Sicherheit
gegen ein unbeabsichtigtes Einschalten
schafft.
Die Summe der Eigenschaften ermöglicht
die Kontrolle der Gates der Leistungshalbleiter mit hoher Genauigkeit und im Vergleich
zu optischer Isolation die Ansteuerung mit
sehr geringen Totzeiten. Bild 4a (links) zeigt
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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
23
LEISTUNGSHALBLEITER // ANTRIEBSELEKTRONIK
Bild 3: Gate-Ansteuerung und Miller-Effekt durch Kapazität CGD.
Bild 4: Verbesserung der Sinus-Rekonstruktion durch Verringerung der Totzeiten.
die Verbesserungen der Sinus Rekonstruktion einer Motorspannung bei einer halbierten
Totzeit von 500 ns im Vergleich zu 1 µs in Bild
4b, die in vielen Fällen für optische Isolatoren gewählt werden muss. Neben erhöhter
Effizienz und geringeren Oberwellen im
Strom erlaubt dies auch ein schnelleres Abschalten im Fehlerfall des Halbleiters.
Damit Umrichter und Antriebe mit den
neuen Isolatoren ausgerüstet werden können, ist eine Anpassung der technischen
Normen nötig. Bisherige Bauteil-Normen wie
die Erstausgaben der VDE0884 und der IEC
60747 berücksichtigten nur optische Isolationsverfahren, boten aber keine technischen
Grundlagen für andere Isolationsverfahren
an. Durch die Aktualisierung und Freigabe
24
der VDE0884-11 steht nun eine erste Richtlinie für Testkriterien anderer Isolationsarten
bereit. Diese Fassung der VDE-Richtlinie
dient auch als Grundlage für die Aktualisierung der internationalen Norm IEC60747-17,
die als Entwurf vorliegt (Bild 5 Normung).
Neben der Norm für einzelne Isolationsbauteile ist auch die Sicherheitsvorschrift
IEC 61800-5-1 für elektrische Antriebe wichtig, die gleichermaßen die Anforderungen an
die Isolationsbarriere beschreibt. Diese
Norm ist ebenfalls überarbeitet worden und
sieht in der neuen Fassung für die sicherheitsrelevante, elektrische Isolation den
Verweis auf national oder international vergleichbare Isolationsstandards für Bauteile
vor. Somit können Systeme in den Markt
Bild 5: Fahrplan zur Normung von Isolationsbausteinen.
eingeführt werden, die statt optischer Isolation neue, stark verbesserte Komponenten
mit anderen Isolationsverfahren verwenden.
Analog Devices baut das Portfolio isolierter Komponenten wie Gate-Treiber, Stromsensorik oder Schnittstellenisolation weiter
aus und wird auch künftig den steigenden
Anforderungen an die Isolationsbarriere gerecht werden.
// KU
Analog Devices
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
AKTUELLE PRODUKTE // LEISTUNGSELEKTRONIK
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Wirkungsgrad gibt es von Intersil
im 4,5 mm x 7,5 mm x 1,85 mm
kleinen Gehäuse. Die pinkompatiblen 5A- (ISL8205M) und 3-AModule (ISL8202M) sorgen für
POL-Leistungswandlung für FPGAs, DSPs und MCUs in verschie-
vereinfachen somit das SystemDesign. Mit einer Bauhöhe von
1,85 mm können der ISL8205M
und ISL8202M direkt auf die
Rückseite einer Leiterplatte montiert werden und schaffen damit
mehr Platz für die Bauelemente
auf der Oberseite. Beide Module
unterstützen Eingangsspannun-
denen Home-Networking- und
Highend-Konsum-Produkten
sowie tragbaren industriellen
Geräten mit Li-Ionen-Batterien.
Die Module sind vollständige
Leistungswandler mit einem
Controller, MOSFETs, Induktivität und passiven Bauelementen
in einem gekapselten Modul und
gen von 2,6 bis 5,5 V und einstellbare Ausgangsspannungen bis
hinab auf 0,6 V. Die Pinkompatibilität ermöglicht es, anfangs ein
3-A-Modul zu verwenden und
später auf das 5-A-Modul zu
wechseln.
Intersil
IGBT-TESTER
Für thermische
Zuverlässigkeit
Mit dem MicReD-Power-Tester
600A offeriert Mentor Graphics
ein System, mit dem die Zuverlässigkeit der Leistungselektronikkomponenten von Elektround Hybridfahrzeugen (EV/HEV)
während der Lastwechsel getestet werden kann. Der MicReDPower-Tester 600A ermöglicht es
EV/HEV-Entwicklungs- und Zuverlässigkeitsingenieuren, Leistungselektronikkomponenten
wie Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBTs, MOSFETs, Transistoren und Ladegeräte hinsichtlich ihrer thermischen Zuverlässigkeit und Lebensdauer
zu prüfen. Probleme bei der
thermischen Zuverlässigkeit
können zu Rückrufen bei EV/
HEV-Automobilen führen und
die immer weitere Verbreitung
von Elektro- und Hybridfahrzeugen hat eine große Nachfrage
nach dieser Lösung geschaffen.
Der MicReD-Power-Tester 600A
erfüllt auch den Bedarf der Industrie nach thermischer Simulation und Tests von Leistungselektronikkomponenten und
bietet unerreichte Genauigkeit
und Skalierbarkeit. Der Tester
bietet einen einfachen Zuverlässigkeitsprüfprozess für die Lebenszyklus-Bewertung. Die Konfiguration des Geräts ist einfach
und die Lastwechsel sind vollständig automatisiert. Bis zu 128
IGBTs lassen sich gleichzeitig in
einem System testen.
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LEISTUNGSHALBLEITER // KÜHLMETHODEN
Optimale thermische Kopplung bei
doppelseitiger Entwärmung
Mit Chip-on-Heatsink hat CeramTec ein Verfahren entwickelt, in dem
die Wärmequelle, etwa der Leistungshalbleiter, direkt auf eine
metallisierte Wärmesenke per Löten oder Ag-Sintern montiert wird.
Bild: CeramTec
ROLAND DILSCH *
Bild 1: Konventioneller Aufbau
eines Leistungsmoduls.
D
ieser Aufsatz beschreibt, wie durch
die Verbindung bekannter und neuer
Technologien eine hocheffiziente
Kühlmethode entstanden ist. Hierbei wird
die Chip-on-Heatsink-Direktmetallisierung
mit Flüssigkeitskühlung und doppelseitiger
Entwärmung kombiniert.
Speziell bei Anwendungen im Bereich der
Hybrid- und Elektrofahrzeug erfordern steigende Leistungsdichten und sehr knapper
Bauraum neue Konzepte der Entwärmung.
Im Sinne von „Vermeiden vor Heilen“ müssen
im ersten Schritt die Verluste des Halbleiters
reduziert werden. Die seit vor einigen Jahren
eingeführten Wide-Bandgap-Halbleiter wie
GaN oder SiC bieten hier gegenüber den klassischen Silizium-IGBTs deutliche Vorteile,
denn sie haben bekanntlich einen deutlich
niedrigeren RDS(on). Sie besitzen im Vergleich
zu IGBTs deutlich kleinere Chipflächen und
damit eine wesentlich geringere Umkehr* Roland Dilsch
... ist Applikationsingenieur bei
CeramTec, Marktredwitz.
26
Erholungsladung Qrr, was geringere Schaltverluste bewirkt. Zudem erlauben sie aufgrund des größeren Bandabstandes höhere
Sperrschichttemperaturen.
Da in der Praxis höhere Wirkungsgrade
schnell durch höhere Lastströme ausgenutzt
werden, sind weitere Möglichkeiten zu betrachten, die entstehende Verlustleistung
abzuführen. Gemäß der einfachen Gleichung
ΔT = Rth x P ist der thermische Gesamtwiderstand von der Wärmequelle (also dem Chip)
bis zur Wärmesenke (dem Kühlmedium) zu
reduzieren.
Bild 1 zeigt den konventionellen Aufbau
eines Leistungsmoduls mit den zugehörigen
thermischen Widerständen. Eine Verbesserung des Gesamt-Rth bedeutet hier die Reduzierung der einzelnen thermische Widerstände, oder anders ausgedrückt, einzelne thermische Widerstände vollständig zu eliminieren.
Diesen Ansatz verfolgt die Chip-on-Heatsink-Technologie; Ausgangsbasis ist ein keramischer Kühler. Aufgrund der hohen Verlustleistungen ist dieser flüssigkeitsdurch-
strömt. Er verfügt über eine hohe thermische
Leitfähigkeit, die gleichzeitig der elektrischen Isolation dient. Auf diese Kühlkörper
werden drucktechnisch die Leiterbahnen aus
Kupfer aufgebracht und eingesintert. Dabei
sind Leiterbahnhöhen bis zu 300 µm möglich, womit sich eine hohe Stromtragfähigkeit ergibt. Das Verfahren ist von der silberbasierenden Dickschichttechnologie bekannt, aufgrund des Materialpreises jedoch
deutlich kostengünstiger. Auf diese Leiterbahnen wird der Chip direkt aufgelötet oder
mit Silber aufgesintert. Durch diesen Aufbau
(Bild 2) entfallen viele der bisherigen thermischen Widerstände. Der Gesamt-Rth sinkt
deutlich.
Als Material für den Kühler kommen zwei
Keramiken in Betracht: Aluminiumoxid und
Aluminiumnitrid (wichtige Eigenschaften
zeigt die Tabelle im Online-Beitrag
44043105). Während aus technischer Sicht
AlN aufgrund seiner signifikant höheren
Wärmeleitfähigkeit die erste Wahl ist, sprechen preisliche Erwägungen eher für Al2O3.
Im Vergleich zur herkömmlichen Lösungen
ergeben sich Vorteile nicht nur hinsichtlich
der thermischen Performance, sondern auch
bezüglich Zuverlässigkeit und Lebensdauer.
Erhöhte Zuverlässigkeit
und Lebensdauer
Bei konventionellen Leistungsmodulen
kommen häufig DCB-Substrate zum Einsatz.
Bei diesen wird in einem speziellen Hochtemperaturprozess Kupferfolie fest mit der
Keramik verbunden. Die Schichtdicke beträgt dabei prozessbedingt meist 200 oder
300 µm (bei Verwendung von SiN-Keramik
auch dicker).
Ähnlich ist die Situation bei AMB. Die Kupferfolie hat mit etwa 16 ppm/K einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der deutlich höher ist als der von Keramik. Dies führt
bei thermischer Belastung zu mechanischem
Stress an der Verbindungsschicht, der nach
einiger Zeit zum Versagen führt.
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
LEISTUNGSHALBLEITER // KÜHLMETHODEN
Die bei der Chip-on-Heatsink-Technologie
verwendete Kupferpaste besitzt zur Einstellung der rheologischen Parameter organische Bindemittel. Diese werden vor dem eigentlichen Versintern der Metallpartikel bei
einer niedrigeren Temperatur entbindert.
Das von diesen Zusatzstoffen eingenommene
Volumen wird nur bedingt durch das Metall
ersetzt. Die entstandene Leiterbahn besitzt
daher eine schwammartige Struktur und ist
deutlich duktiler als das gleiche Metall in
massiver Form. Dies führt dazu, dass bei
thermischer Belastung die zwischen Keramik
und Leiterbahn auftretenden Kräfte geringer
sind, wodurch eine signifikant höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil der Drucktechnologie
ist, dass der Aufbau schichtweise erfolgt. So
lassen sich neben hohen Leiterbahnen auch
feine Strukturen mit einem Pitch von 200 µm
realisieren. Um die Entflechtung zu erleichtern, sind mehrlagige Aufbauten sowie aufgedruckte Widerstände möglich.
Doppelseitige Entwärmung
und Flüssigkeitskühlung
Ungekapselte Leitungshalbleiter führen
den Strom nahezu vollflächig über die gesamte Chip-Fläche. Während die Unterseite
der elektrischen und thermischen Kontaktierung dient, wird die Oberseite in der Regel
nur elektrische mittel Bonddrähten kontaktiert, die lediglich einen geringen Anteil der
Verlustleistung abführen. Zur Steigerung der
Entwärmung des Chips kann daher die Oberfläche als zusätzlicher Entwärmungspfad
genutzt werden, beispielsweise indem (ebenso wie auf der Unterseite) eine keramische
Leiterplatte verwendet wird.
Hierbei sind gewisse Randbedingungen zu
beachten. Zwischen den Leiterbahnen der
oberen und unteren Leiterplatte ist ein Mindestabstand einzuhalten. Zum einen muss
das Gate kontaktiert werden, zum anderen
muss ein Dielektrikum (Silikongel, Mould-
Bild 2: Reduzierte thermische Widerstände
und damit reduzierter
thermischer Gesamtwiderstand durch
Chip-on-Heatsink-Technologie.
masse) zwischen der oberen und der unteren
Leiterebene eingebracht werden, um die Isolationsspannung zu gewährleisten. Aufgrund dessen Adhäsion und Viskosität wird
eine bestimmte Spaltbreite benötigt. Ein
weiterer Aspekt ist der thermische Ausdehnungskoeffizient.
An der Oberseite des Chips existiert die
gleiche Problematik wie auf seiner Unterseite. Es wird eine Lösung benötigt, deren CTE
möglichst nahe bei Silizium liegt. Hier bietet
sich ein Metall/Keramik-Verbund an, wie er
bereits in Form einer DCB als Leiterplatte
verwendet wird. In analoger Form kann auch
ein Keramikquader mit Metall, bevorzugt
Kupfer, verbunden werden. Die hier vorgestellte Lösung besteht aus einem Quader aus
Aluminumnitrid. In diesen werden Löcher
eingebracht, die mit Kupferpaste gefüllt werden, sodass Vias entstehen. Die Ober- und
Unterseite des Quaders sind vollflächig mit
Kupferpaste bedruckt und verbinden die Vias untereinander. Zudem lassen sich die Außenseiten dieses Quaders ebenfalls mit Kupferpaste bedrucken, was den elektrischen
und thermischen Widerstand weiter reduziert. Für den Keramikquader wurde Aluminiumnitrid gewählt, welches mit etwa 180
W/mK eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Aufgrund seiner physikalischen
Eigenschaften wird der thermische Ausdeh-
nungskoeffizient des Quaders vom Aluminiumnitrid bestimmt und liegt mit ungefähr
4,5 ppm sehr nahe am Silizium. Damit kann
dieser problemlos mit der Oberseite des
Chips verlötet oder auf diesen aufgesintert
werden.
Sinnvoller Weise wird dies mit Flüssigkeitskühlern kombiniert. Mit Flüssigkeiten
können deutlich höhere Wärmemengen abtransportiert werden als mit Gasen. Dies liegt
zum einen an der meist höheren spezifischen
Wärmekapazität, verglichen mit der von Gasen, vor allem aber an deren deutlich höheren Dichte und damit bei Konvektion vorbeiströmenden Masse je Zeiteinheit. Gemäß
ΔQ=m * c * Δt ist die abgeführte Wärmemenge ΔQ direkt proportional zum Produkt aus
der Masse m und der spezifischen Wärme c.
Betrachtet man die gängigen Kühlmedien
Luft und Wasser/Glykol-Gemisch (50/50), so
erkennt man, dass neben der etwa 3,5fach
höheren spezifischen Wärmekapazität vor
allem die zirka 750fach höhere Dichte des
Wasser/Glykol-Gemisches zu der signifikant
höheren Entwärmungsleistung führt. In der
Praxis ergeben sich bei erzwungener Konvektion Faktoren zwischen 10 und 200.
Im hier beschriebenen Aufbau wird als
Flüssigkeitskühler der so genannte Multi-K
der Firma CeramTec verwendet. Dieser zeichnet durch hohe thermische Effizienz, mecha-
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Bild 3: Schematische Darstellung des doppelseitigen Aufbaus; der obere Kühler wird im System auf
die Oberseite des Chips gelötet.
Bild 4: Der Oberseitenkühler mit aufgesinterten
Quadern. Der rechte Quader ist zur besseren Erkennbarkeit der Vias nur partiell metallisiert.
nische Robustheit und vor allem geringe
Bauhöhe aus. Beide Flüssigkeitskühler werden wie zuvor beschrieben direkt metallisiert. In die Kupfermetallisierung des oberen
Kühlers wird der Keramikquader nass in nass
gefügt und gemeinsam mit diesem versintert.
Dies hat den Vorteil, dass keine thermisch
nachteilige Lotverbindung erforderlich ist.
rer Strömung starke Geschwindigkeitsunterschiede über den Rohrquerschnitt auf. Die
Strömungsgeschwindigkeit ist an der Rohrwandung aufgrund der hydrodynamischen
Haftbedingungen vz=0, um mit zunehmendem Abstand von der Wand auf ihren Endwert anzusteigen. Es liegen quasi mehrere
Schichten des Fluids übereinander, zwischen denen nur ein sehr geringer Austausch
senkrecht zur Strömungsrichtung stattfindet. Der Bereich von der Wand bis zu dem
Bereich, an dem die Strömung 99% des Wertes der ungestörten Strömung erreicht, wird
nach Prandtl als Grenzschicht bezeichnet.
Aufgrund der Reibung zwischen Wand und
Fluid wächst die Grenzschicht über die Rohrlänge an, bis sie, abhängig vom Rohrdurchmesser, in der Mitte zusammentrifft. Der
Wärmetransport erfolgt bei laminarer Strömung fast ausschließlich durch Wärmeleitung. Daher findet nur ein vergleichsweise
schlechter Wärmetransport statt, was sich in
einem kleinen Wert α widerspiegelt. Dieser
ist abhängig von der Dicke der Grenzschicht
und der Wärmeleitfähigkeit des Fluids. Der
hydraulische Widerstand ist vergleichsweise
gering. Im Druck/Durchfluss-Diagramm ist
dieser Bereich dadurch gekennzeichnet,
dass bereits geringe Druckerhöhungen eine
ausgeprägte Erhöhung der Durchflussrate
bewirken. Zur Optimierung der Wärmeabfuhr ist die wesentlich effizientere stoffgebundene Konvektion anzustreben. Dies wird
durch turbulente Strömung des Fluids er-
Ermittlung des Rth
von Flüssigkeitskühlern
In einem flüssigkeitsdurchströmten Kühler
wird der Energietransport zwischen der
Wand und dem Fluid als Wärmeübergang
bezeichnet. Er wird durch die Gleichung
P=α * A * (TW-TF) beschrieben, wobei TW für
die Temperatur der Wandfläche und TF für
die Temperatur des Fluids steht. Die Kontaktfläche A und der Wärmeübergangskoeffizient α sollten somit möglichst hoch sein.
Während dies bei der Fläche A rein konstruktiv lösbar ist, gehen in die Betrachtung von
α der den Wärmetransport von der Wandung
in die Flüssigkeit beschreibt, verschiedene
Faktoren ein. Neben der kinematischen Viskosität der Oberflächenbeschaffenheit des
Kühlkanales, welche eine Materialkonstante
darstellt, ist die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmediums von großer Bedeutung, da
sie doch den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung bestimmt.
Gemäß der von Ludwig Prandtl verfassten
Grenzschichttheorie treten bei einem von
einem Fluid durchströmten Rohr bei lamina-
Bild 5: Temperaturdifferenz zwischen Chip und
Kühlflüssigkeit sowie
Druck/Durchfluss-Kennlinie bei Verwendung
eines Gemisches 50%
Wasser/50% Glykol.
28
reicht. Mit steigender Strömungsgeschwindigkeit stellen sich zunehmend Verwirbelungen ein. Maßgeblich hierfür ist, dass die
Reynoldszahl den kritischen Wert überschreitet. Die Reynoldszahl ist definiert als
Re=ρ*v*d/η, mit ρ=Dichte des Fluids,
v=Strömungsgeschwindigkeit,
d=charakteristische Länge (hier Innendurchmesser des Rohres) sowie η=dynamische
Viskosität.
Empirisch ermittelt liegt die kritische Reynoldszahl Rekr von Rohren bei etwa 2300.
Oberhalb dieses Wertes beginnt die Strömung turbulent zu werden. Es findet nun ein
zunehmender Austausch der Fluidpartikel
senkrecht zur Strömungsrichtung und damit
verbunden ein erhöhter Wärmetransport
statt. Die Dicke der Grenzschicht nimmt damit signifikant ab. Als Folge steigt der Wärmeübergangskoeffizient. In der Druck/
Durchfluss-Kennlinie ist dieser Bereich dadurch erkennbar, dass zur weiteren Erhöhung der Durchflussmenge eine vergleichsweise große Druckerhöhung nötig ist, da ein
turbulent strömendes Fluid einen größeren
Widerstand entgegensetzt.
Leider ist die mathematisch exakte Ermittlung der Wärmeübertragung nur in wenigen
Fällen möglich. Die Ergebnisse werden daher
über Ähnlichkeitsgesetze ermittelt. Als äußerst wertvolle Hilfe dient hier die dimensionslose Nußeltzahl Nu (benannt nach dem
deutschen Physiker Wilhelm Nußelt)
Nu=α*l/λ, wobei α den Wärmeübergangskoeffizienten angibt, l die charakteristische
Länge (Durchmesser des Rohres) und λ die
Wärmeleitfähigkeit des Fluids. Umgestellt
ergibt sich α=Nu*λ/l. Mit hinreichender Genauigkeit kann für die weitere Berechnung
bei der vorliegenden rohrförmigen Struktur
Nu=0,02 angenommen werden. Da die anderen Variablen bekannt sind, lässt sich nun
der flächenspezifische Wärmewiderstand
R’th=1/∞ einbeziehen und Rth ermitteln.
Untersuchungen zeigen, dass sich durch
diesen zweiten Entwärmungspfad der Gesamt Rth um etwa 35% verbessern
lässt. Diese ersten Versuchen dienten dazu,
grundsätzliche Möglichkeiten zu erproben.
Der Versuchsaufbau ist noch nicht optimiert,
sodass noch weiteres Potenzial besteht. Bei
der Betrachtung der thermischen Widerstände fällt auf, dass der topseitige Quader einen
signifikanten Einfluss auf den oberen Entwärmungspfad hat, was aufgrund dessen
Höhe nicht verwundert. Hier sind in einem
weiteren Schritt geeignete Konzepte zu entwickeln, um die Höhe des Quaders zu reduzieren.
// KU
CeramTec
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
,QWHJULHUWH 6WURPYHUVRUJXQJ
9ROOVWlQGLJH 7UDQVSDUHQ]
3'3$$
7RS ,QWHJUDWLRQ 7RS (IIL]LHQ]
7RS =XYHUOlVVLJNHLW 6,723
6,723 368 LVW GDV HUVWH 6WURPYHUVRUJXQJVV\VWHP PLW YROO
VWlQGLJHU (LQELQGXQJ LQ 7RWDOO\ ,QWHJUDWHG $XWRPDWLRQ 7,$ 'DV
6\VWHP OlVVW VLFK IOH[LEHO ]XVDPPHQVWHOOHQ ² VRZRKO LQ GHU $Q]DKO
GHU VHOHNWLY EHUZDFKWHQ $XVJlQJH DOV DXFK ]XU 3XIIHUXQJ EHL
1HW]DXVIDOO hEHU 352),1(7 VWHKHQ %HWULHEV XQG 'LDJQRVHGDWHQ
LQ 6,0$7,& 6 ]XU 9LVXDOLVLHUXQJ LQ 6,0$7,& :LQ&& VRZLH IU GDV
(QHUJLHPDQDJHPHQW EHUHLW 'LH .RQILJXUDWLRQ XQG 3DUDPHWULHUXQJ
GHU 368 ZLH GLH LQGLYLGXHOOH (LQVWHOOXQJ GHU $XVJlQJH RGHU
GHUHQ 6FKDOWHQ EHU 352),HQHUJ\ HUIROJW NRPIRUWDEHO LP 7,$ 3RUWDO
5HDG\ IRU
,QGXVWU\ VLHPHQVGHVLWRSSVX
LEISTUNGSHALBLEITER // SIC-MOSFETS UND -MODULE
Wegbereiter für neue Applikationen
in der Leistungselektronik
Entwickler von leistungselektronischen Baugruppen können jetzt auf
SiC-Power-MOSFET und -Module zugreifen, die aus Systemsicht
preislich fast mit reinen Silizium-Typen konkurrenzfähig sind.
SIEGFRIED W. BEST *
* Dipl.-Ing. Siegfried W. Best
... ist Freier Redakteur in Regensburg.
Bild 2 verdeutlicht in der Gegenüberstellung
die Schaltverluste der verschiedenen Leistungshalbleitertechnologien. Bild 3 unterscheidet zwischen den Schaltverlusten und
Verlusten im leitenden Zustand der verschiedenen Leistungshalbleitertechnologien.
Bei SiC gibt es nahezu keine Umkehr-Erholungs-Ladung Qrr und damit verringerte
Schaltverluste und verbessertes Schaltverhalten, was ebenfalls die Effizienz steigert.
Das Schaltverhalten ist zudem von der Temperatur unabhängig, das führt zu stabilem
Verhalten bei hohen Temperaturen und zu
ebenfalls verringerten Verlusten. Die FOM
(Figure of Merit: RDS(on)@temp x Eoff@temp)
unterscheidet sich bei den verschiedenen
Normalized R DS(ON)
(to 25°C)
Silicon Superjunction
MOSFET
700V/45mW/46A
Competitor 2
1200V/80mW/36A
Competitor 1
1200V/80mW/35A
Bild 1: Vergleich des normiertem RDS(on) über die Temperatur von 700-V- und 1200-V-Microsemi-Typen mit
Wettbewerbstypen und einem Si-SJ-MOSFET.
30
Herstellern – je niedriger sie ist, umso besser.
Die thermische Leitfähigkeit von SiC ist zehnmal höher, das führt zu höherer Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit. Durch positiven TK schließlich ergibt sich eine Selbstregulierung, was wiederum eine einfache
Parallelschaltung ermöglicht. Außerdem
haben Wide-Bandgap-Halbleiter bis zu
100fach geringere Leckströme verglichen mit
Si-MOSFETs.
Die wesentlichen Parameter
von SiC Halbleitern
Bilder: Microsemi/Eurocomp
A
ls unipolare Halbleiter haben SiCTransistoren eine wesentlich geringere Gate-Kapazität sowie Gate-Ladung
und damit geringste Schaltverluste, geringe
Abhängigkeit des sehr niedrigen Einschaltwiderstandes RDS(on) von der Temperatur,
damit geringer Spannungsabfall und geringe
Verluste im leitenden Zustand.
Bild 1 zeigt den Vergleich des normierten
RDS(on) über die Temperatur von 700-V- und
1200-V-Typen von Microsemi für Ströme von
35 und 70 A gegenüber Wettbewerbstypen
und im Vergleich zu einem Si-SJ-MOSFET.
SiC-MOSFETs eignen sich generell für den
Einsatz bei hohen Temperaturen. Microsemi
spezifiziert seine neuen SiC-MOSFETs bei
Sperrschicht- und Betriebstemperaturen von
175 °C bis 200 °C (Tj und Toper). Bei diesen
erhöhten Temperaturen sind folgende Parameter zu beachten: SiC-MOSFETs sind normally-off bei diesen Temperaturen, d.h. Vth
sollte einen positiven Wert haben, am besten
mehr als 1 V. Die SiC-MOSFETs von Micorsemi weisen einen Wert von 3 V auf. Der Strom
Idss (Drain-Source-Leckstrom) muss bei maximaler Junction-Temperatur Tj gering sein.
Die Spannung BVdss zeigt einen Anstieg bei
maximaler Temperatur Tj. Und der Durchlasswiderstand RDS(on) darf einen vertretbaren
(nicht zu starken) Anstieg mit zunehmender
Temperatur zeigen.
SiC-MOSFETs zielen auf Applikationen mit
hohen Schaltfrequenzen (100 kHz oder höher). Dabei bietet ein externer Gate-Widerstand von geringem oder hohem Wert Design-Freiheit für den Entwickler. Microsemis
Wert für den Intrisic Rg ist nahe 1 Ω, im Gegensatz zu anderen Produkten auf dem Markt
mit Intrinsic-Rg-Werten von 5 bis 6 Ω oder gar
höher.
Der FOM-Wert (Figure of Merit) bestimmt
auch die maximale Betriebsfrequenz, definiert als Fmax = (Tj-Tc)/Rth-Ron*I2c*D)/
(Eon+Eoff). Durch den geringen RDS(on), den
geringen Rth und die hohe Tj haben die SiCMOSFETs von Microsemi eine sehr hohe Fmax.
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
LEISTUNGSHALBLEITER // SIC-MOSFETS UND -MODULE
kühlen schützen verbinden
Lamellenkühlkörper
• Leistungsstarke Konzepte mit großer
Oberfläche für bestmögliche
Wärmeableitung
• Aus Aluminium oder Kupfer
• Mit gegenüberliegenden Bodenplatten
• Exakt plangefräste Montageflächen
• Anfertigungen nach Kundenvorgabe
Bild 2: Vergleich
der Schaltverluste
der verschiedenen
LeistungshalbleiterTechnologien.
Bild 3: Vergleich
zwischen Schaltverlusten und Verlusten
im leitenden Zustand
der verschiedenen
LeistungshalbleiterTechnologien.
Das verbesserte dV/dt-Verhalten der neuen
MOSFETs wurde durch die Eliminierung des
Gatepad-P-doped-Bereichs (p-dotierter GateAnschluss) erzielt. Das beseitigt den Löcherstrom, der in konventionellen Designs unter
den Gatepads auftritt (bei einem parasitären
NPN-Design bedeutet weniger Löcherstrom
ein notwendiges größeres dV/dt, um einen
Strom zu generieren, der einen Latch-up auslöst).
Erhebliche Verbesserungen gegenüber
Silizium ergiben sich bei den SiC-MOSFETs
auch bei dem Single Event Bournout (SEB).
Der SEB entsteht beispielsweise durch kosmische Strahlung, und die betroffenen Faktoren im Halbleiter sind die Halbleitertechnologie und die Halbleiterfläche, die Temperatur und die Sperrspannung im Bezug auf
die Spannungsklasse des Transistors und die
Höhe über Grund. Durch die kosmische Einstrahlung entsteht im Siliziumkern durch
hohe Spannung ein Plasmakanal, indem
durch hohe Temperatur Defekte ausgelöst
werden. Der SEB bei Silizium ist viel schlechter als das SEB beim Wide-Bandgap-Material SiC. So werden z.B. bei den 700-V-Si-Typen
nach Neutronenbeschuss Ausfälle im Bereich 1000 bis 10 000 Fit (Fehlerrate über die
Zeit) ermittelt, bei SiC dagegen sind es nur
Werte von 10 bis 100 Fit. Ein vergleichbares
Ergebnis nach Neutronenbeschuss gibt es
auch bei den 1200-V- und 1700-V-SiC-Halbleitern im Vergleich zu IGBTs und SJ-FETs.
Eine umfangreiche Auswahl
an diskreten SiC-MOSFETs
Die 1200-V-/40-A-Typen (80 mΩ) APT40SMxxx sind in Stückzahlen erhältlich. Es folgen jetzt die in Bild 4 gezeigten Typen für
Anwendungen mit 700 V, 1200 V und 1700 V
in verschiedenen Stromklassen bis 80 A und
mit RDS(on) zwischen 40 und 800 mΩ.
Mit den angekündigten SiC-LeistungsMOSFET stehen jetzt Wide-Bandgap-MOSFET für erste Designs von 700 V bis 1200 V
(80 A) bzw. 1700 V/5 A zur Verfügung. Ihr
Einsatz führt zu höherer Systemeffizienz und
ermöglicht höhere Systemschaltfrequenzen.
Auch werden die Anforderungen an das Wärmemanagement geringer; die Sicherheit gegen Lawinendurchbruch ist wesentlich erhöht. Durch den geringen RDS(on) , die hohe
zulässige Betriebsspannung und die hohe
Stromtragfähigkeit (sowohl kontinuierlich
als auch bei Spitzenstrom) ist der sichere
Arbeitsbereich (SOA; Save Operating Area)
wesentlich erweitert. Zu erwähnen bleibt
noch die hohe Kurzschlussfestigkeit von bei-
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
31
Mehr erfahren Sie hier:
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Fischer Elektronik GmbH & Co. KG
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LEISTUNGSHALBLEITER // SIC-MOSFETS UND -MODULE
Bild 4: Microsemis Angebot an diskreten SiC-MOSFETs.
Bild 5: Die möglichen
Gehäuseformen gehen
bei den Modulen vom
SP1 bis zum SP6 P.
spielsweise 8,5 µs beim 80-mΩ-Typ APT
40SM120B; das ist somit 25% mehr als bei
vergleichbaren Mitbewerbstypen. Entwickler
können jetzt auf SiC-Leistungs-MOSFETs zugreifen, die in wesentlichen Merkmalen weiter verbessert wurden und die in kommerziellen Stückzahlen erhältlich sind.
Einfaches Design-in durch
SiC-MOSFET-Treiber-Boards
Groß ist auch das Angebot an
SiC-MOSFET-Modulen
Module mit SiC-Halbleitern werden als
Hybridmodule oder als Full-SiC-Module angeboten. Die Hybriden vereinen z.B. schnell
schaltende IGBT-Chips mit SiC-SchottkyFreilaufdioden. Bei den Full-SiC-Modulen
kommen nur SiC-Halbleiter zum Einsatz,
etwa SiC-MOSFETs mit oder ohne SiC-Schottky-Freilaufdioden.
Microsemi stellt neben den diskreten SiCMOSFFETS für 700 V und 1200 V auch eine
breite Palette vollständig mit SiC-Halbleitern
bestückte Modulen zur Verfügung. Diese
Full-SiC-Module gibt es in vielen elektrischen
Konfigurationen. Die möglichen Gehäuseformen reichen vom SP 1 bis zum SP6 P (Bild 5).
Damit werden sowohl Leistungsmodule mit
SiC-Schottkydioden angeboten als auch
MOSFET und COOLMOS-Power-Module mit
32
Modulen ist auch ein NTC integriert, mit Ausnahme beim Chopper-Modul (NTC optional).
Die Phase-Leg-Module für 700 V/1200 V
haben verschiedene Gehäuseformen wie
SP1, SP3, SP6 und D3. Es gibt sie für für 700
V (bis 512 A mit 6 mΩ) und 1200 V (bis 257 A
mit 6 mΩ). Die Vollbrücke für 700 V/1200 V
wird im SP3-Gehäuse angeboten und ist für
Ströme bis 97 A bzw. 59 A ausgelegt. Für
Dreiphasen-Applikationen mit 700 V/1200 V
gibt es die Typen im SP6-P-Gehäuse, die ausgelegt sind für Ströme bis 356 A bzw. 596 A.
Eine besonders kleine Variante in dieser Konfiguration steht mit SP3-Gehäuse für DreiPhasen-Brücken in Sternschaltung bei geringem Platzangebot zur Verfügung.
Zu den Anwendungsgebieten dieser Module zählen unter anderem Schweissgeräte,
Schaltnetzteile, USVs und Motorsteuerungen. Neu ist die Drei-Phasen-Brücke APTSM70TAM60T3AG im Gehäuse SP3F für 700 V
und 61 A.
Weitere definierte Module in Phase-LegKonfiguration sind der Baustein APTSM120AM55CT1AG im SP1 für 1200 V/50 A und
einem RDS(on) von 50 mΩ. Der Halbleiter APTSM120AM55T1AG ist im SP1-Gehäuse untergebracht und für 1200 V/70 A spezifiziert; sein
RDS(on) beträgt 50 mΩ. Als Triple-Phase-LegKonfiguration ist u.a. der APTSM120TAM33CPAG im SP6P-Gehäuse für 1200 V und 89
A verfügbar, der einen RDS(on) von 33 mΩ besitzt.
Bild 6: Einfache Evaluation von SiC-MOSFETModulen mit dem SiC-MOSFET-Treiberboard. Es
unterstützt aber auch diskrete SiC-MOSFETs.
SiC-Diode. Es gibt folgende Konfigurationen:
Single Switch mit Serien-FRED und ParallelSiC-Diode für 700 V (bis 480 A/6 mΩ) und
1200 V bis 293 A/10 mΩ), als Chopper (Boost
für 700 V bis 86 A/35 mΩ und 1200 V bis 103
A/28 mΩ) bzw. Buck für 700 V (bis 86 A/3 mΩ
und 1200 V (bis 103 A/28 mΩ), als Phase Leg
mit Serien-FRED und Parallel-SiC-Diode, als
Vollbrücke mit Serien-FRED und ParallelSiC-Diode sowie als Triple Phase Leg. In allen
Das im Bild 6 gezeigte SiC-MOSFET-Treiber-Board vereinfacht die Evaluation der
SiC-MOSFET-Module. Es unterstützt aber
auch diskrete SiC-MOSFETs, ist komplett
aufgebaut und hilft dabei, die Kosten und die
Komplexität der endgültigen Gate-Treiber in
der Applikation zu verringern.
Das Evaluation Board kann SiC-MOSFETModule bis 1700 V von Microsemi und von
den verschiedensten anderen Herstellern
unterstützen. Auf dem Board kommt der
Treiber-IC TLP5214 von Toshiba zum Einsatz,
ein weit verbreiteter vollständig isolierter
Gate-Treiber bis 2000 V Isolationsspannung.
Die Treiberfähigkeit reicht von -5 bis +20 V
(+20 V einstellbar um ± 15%).
Das vollständig isolierte Board hat die Abmessung 76,2 mm x 76,2 mm, arbeitet an
einfachen 24 V, ist kaskadierbar und kann
bis zu sechs Module unterstützen. Alle SiCMOSFET und Module sowie das SiC-MOSFETModul-Treiberboard sind bei der Eurocomp
Elektronik erhältlich.
// KU
Microsemi/Eurocomp
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
AKTUELLE PRODUKTE // LEISTUNGSELEKTRONIK
IGBT- UND MOSFET-TREIBER
Für Anwendungen bis 1200 V
Der Anbieter von IGBT- und MOSFET-Treiber für Wechselrichteranwendungen mit mittleren und
hohen Spannungen, Power Integrations, präsentiert eine neue
Familie galvanisch getrennter
Einkanal-Gate-Treiber-ICs mit
maximalen Ausgangsströmen
von 2,5 bis 8 A. Diese sind nach
eigenen Angaben die einzigen
Treiber-ICs auf dem Markt, die
für solche Ströme keinen externen Booster benötigen. Die für
die Ansteuerung von IGBTs und
MOSFETs gleichermaßen gut geeigneten SCALE-iDriver-IC machen die magneto-induktive,
bidirektionale FluxLink-Kommunikationstechnologie von Power
Integrations für 1200-V-Treiberanwendungen verfügbar. Die
FluxLink-Technologie erübrigt
optoelektronische Bauteile und
die dafür nötige Kompensationsschaltung. Dadurch wird die Betriebsstabilität erhöht und die
Systemarchitektur vereinfacht.
Die Gate-Treiber kombinieren
Isolation mit hochentwickelten
Sicherheits- und Schutzfunktionen, wie sie für Anwendungen
mit mittleren und hohen Betriebsspannungen gefordert werden. Das eSOP-Gehäuse mit einer
Kriechstrecke von 9,5 mm und
einem CTI (Comparative Tracking Index) von 600 gewährleistet eine hohe Spannungsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit. Die Einkanal-Gate-TreiberICs reduzieren drastisch den
Bauteilaufwand für Wechselrich-
ter mit Leistungen bis 110 kW,
sparen Platz und Materialkosten
und bieten Entwicklern mehr
Gestaltungsfreiheit. Unter Verwendung eines einfachen, kostengünstigen Boosters sind laut
Anbieter energieeffiziente, platzsparende und zuverlässige
Wechselrichter mit Ausgangsleistungen von bis zu 400 kW (15
A) jetzt wesentlich schneller als
bisher entwickelbar. Die neuen
ICs erfüllen die Anforderungen
der Standards IEC 60664-1 und
IEC 61800-5-1 und sind für den
Betriebstemperaturbereich von
–40 bis +125 °C und für Schaltfrequenzen bis 250 kHz ausgelegt.
Sie nutzen den ASSD-(Advanced
Soft Shut Down)-Mechanismus
von Power Integrations, der die
Leistungsschalter bei einem
Kurzschluss vor Beschädigung
schützt. Die ASSD-Funktion wird
bei Erreichen eines bestimmten
Entsättigungsniveaus automatisch getriggert und erfordert
keine externen Bauelemente. Die
SCALE-iDriver-ICs eignen sich
für Anwendungen wie industrielle Motorsteuerungen, Stromversorgungen und unterbrechungsfreie Notstromversorgungen, Solarwechselrichter aller
Leistungsklassen, industrielle
Klimaanlagen, Ladegeräte und
Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen einschließlich elektrischer Nutzfahrzeuge. ReferenzDesigns sind verfügbar.
Power Integrations
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
LEISTUNGSHALBLEITER // POWER-MODUL
Power-Module punkten gegenüber
diskretem Lösungsaufbau
Modulhersteller liefern ein nach Funktion und Eigenschaft definiertes
Subsystem. Elektrische wie mechanische Spezifikationen, etwa in
Bezug auf EMV, Effizienz und Belastbarkeit, vereinfachen das Design.
Bilder: Vincotech
EVANGELOS THEODOSSIU *
Bild 1: Typisches Powermodul, bestehend aus
robustem Basismaterial
(oben) und zuverlässigem
Gehäuse (unten).
D
er Bedarf an Leistungselektronik in
Anwendungen aus den Bereichen Solar- und Windenergie, industrielle
Antriebe und unterbrechungsfreie Stromversorgungen steigt stark. Insbesondere in Bezug auf Effizienz und Zuverlässigkeit stellen
sich hier besonders hohe Anforderungen.
Nur mit einer optimalen Lösung lassen sich
die hohen Anforderungen bei gleichzeitig
optimalem Kosten/Nutzen-Verhältnis realisieren. Power-Module bieten vielfach eine
optimierte Lösung für den Einsatz von Leistungshalbleitern.
Zunächst stellt sich die Frage, was der Begriff Power-Modul genau beschreibt. Bei der
diskreten Lösung werden die einzelnen Leistungshalbleiter auf der Platine montiert und
über Leiterbahnen miteinander verbunden.
Im Power-Modul sind alle für eine Anwendung benötigten Komponenten zusammen* Dr. Evangelos Theodossiu
... ist Product Marketing Manager bei Vincotech in
Unterhaching bei München.
34
gefasst und verbunden. Es bildet ein Subsystem, das nach der jeweiligen Anwendung
auszuwählen ist.
Ein typischer Vertreter der Power-Module
ist das sogenannte PIM, was für Power Integrated Module steht. Es vereint die für klassische Industrieantrieben benötigten Leistungskomponenten (Gleichrichter, BremsChopper, Wechselrichter). Neben
den
guten
elektrischen Eigenschaften, löst ein Power-Modul noch weitere Aufgabenstellungen der
Systementwicklung.
So bietet es eine sehr
gute thermische Anbindung an den Kühlkörper, bei gleichzeitiger optimaler
elektrischer Isolation.
Auf Basis von Power-Modulen lassen sich
komfortabel und kostengünstig Systeme der
Leistungselektronik erstellen. Der Modulhersteller liefert ein nach Funktionen und Eigenschaften klar definiertes Subsystem. Der
System-Designer kann sich auf die gegebenen elektrischen wie mechanischen Spezifikationen verlassen, etwa in Bezug auf EMV,
Effizienz, Belastbarkeit und Zuverlässigkeit.
Zudem bekommt er all dies als Off-the-shelfLösung, was dem allgegenwärtigen Druck
einer möglichst kurzen Produkteinführungszeit Rechnung trägt.
Dennoch gibt es eine lebhafte Debatte zu
den Vor- und Nachteilen von modulbasierten
und diskreten Lösungen. Vielfach sind hierfür Kostengründe ausschlaggebend. Doch
um welche Kosten handelt es sich in diesem
Zusammenhang? Addiert man einfach die
Kosten für die diskreten Komponenten und
vergleicht diese mit den Kosten eines Moduls, macht man es sich zu leicht. Im nachfolgenden werden Argumente vorgebracht,
die dieses belegen sollen.
Das ausschlaggebende Argument für das
Modul, ist dessen positiver Einfluss auf die
Gesamtzuverlässigkeit des Systems (Anzahl
der möglichen Temperatur- und Lastzyklen).
Nichts ist schlimmer als eine Anzahl von bereist ausgelieferten Systemen, die aufgrund
schlechter Langzeitzuverlässigkeit nach und
nach ausfallen. Ein solches System, kann
aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit plötzlich enorme Zusatzkosten verursachen. Zudem kann eine Häufung von Feldausfällen
den Ruf eines Herstellers auf Jahrzehnte
belasten. Ein Power-Modul ist ein auf Zuverlässigkeit und Leistung optimiertes Subsystem, mit dem sich die Qualität des Systems
entscheidend verbessern lässt.
Ein weiteres Risiko diskreter Lösungen ist
die Komplexität und Anfälligkeit aktueller
High-Power Designs. Kleine Fehler können
zu massiven Fehlfunktionen führen und so
zahlreiche Redesign-Zyklen notwendig machen. Dies kann folglich zu einem nicht unerheblichen zeitlichen Mehraufwand führen
und nicht zuletzt die Gesamtkosten eines
Systems empfindlich in die Höhe treiben.
Für ein zuverlässiges System-Design spielt
das Leiterplattenlayout eine herausragende
Rolle. Wichtige Faktoren sind hierbei die Induktivität und Widerstände der Leiterbahnen, die einen großen Einfluss auf Schaltverluste und Wärmeentwicklung haben. Auch
bei einem nahezu optimalen Layout ist eine
Wärmeabgabe der Leistungshalbleiter in die
Leiterplatte unvermeidlich. Auch dies ist ein
Faktor, der erheblichen Einfluss auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines Systems hat.
Ein Grund für vermeintlich geringere Kosten von diskreten Komponenten ist die Verwendung von Kupferplatten als Trägermaterial. Diese weisen im Unterschied zum Basismaterial von Power-Modulen (einer Keramikplatte
mit
dünnen,
aufgewalzten
Kupferschichten) einen völlig anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die
darauf befindlichen Leistungshalbleiter auf.
Diese Ungleichheit führt zu starker mechanischer Beanspruchung der Lötstelle zwischen Halbleiter und Trägermaterial. Bei den
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
LEISTUNGSHALBLEITER // POWER-MODUL
in aktuellen Power-Anwendungen üblichen
hohen Temperatur- und Lastwechseln, hat
das Power-Modul in Bezug auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer wieder alle Argumente auf seiner Seite.
Der Charakter eines Produkts prägt neben
dem elektrischen Layout zu einem nicht unerheblichen Teil das mechanische Design.
Systeme für Power-Anwendungen
arbeiten in den meisten Fällen
in extremen Umgebungen. Schlechte Belüftung und raue Umweltbedingungen
sind typische Merkmale von Industrieantrieben oder Solar- und
Windenergieanlagen. Auch
hier bieten Power-Module klare
Vorteile. Wie bereits erwähnt, ist
die Wärmekopplung an den Kühlkörper optimal gelöst. Zudem sind die Komponenten
in dem Modul vergossen und geschützt. Die
für Spannungen von einigen hundert Volt
notwendigen Kriechstrecken und Mindestabstände, werden sicher eingehalten.
Bild 2: Beispiel einer
PIM-Topologie (a =
Gleichrichter, b =
Brems-Chopper, c =
Wechselrichter und d
= Temparatursensor).
Bild 3: Hochwertiges Material, optimale elektrische Eigenschaften und gute
thermische Anbindung sind Voraussetzung für
hohe Effizienz und Zuverlässigkeit im Feld.
Neben den Komponenten und der Zuverlässigkeit hat der Fertigungsprozess einen
sehr großen Einfluss auf die Kosten eines
Systems. Je nach Konzept benötigen Systeme
mit diskreten Komponenten eine sehr präzise Montage, spezielle Werkzeuge oder einen
hohen Aufwand an mechanischer Montage.
Die von Vincotech ab Werk verfügbare Pressfit-Technologie bietet eine Reihe solcher Vorteile bei der Montage. Das Modul wird nicht
wie üblich gelötet, sondern durch einfaches
Einpressen auf der Leiterplatte montiert und
zerstörungsfrei auch wieder demontiert
werden.
// KU
Vincotech
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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
35
STROMVERSORGUNG // REFERENZ-DESIGN FÜR UMRICHTER
Motorschonende Komplettlösung
für E-Mobility und Industrial
Um Antriebskonzepte einfacher zu realisieren, haben TDK und Infineon
eine Umrichter-Komplettlösung entwickelt, die in
E-Mobilität und Industrie-Anwendungen eingesetzt werden soll.
WOLFGANG RAMBOW *
F
Verbesserungen durch neue
Schlüsselkomponenten
Um einen motorschonenden und EMVgerechten Inverter anbieten zu können, haben Infineon und TDK dazu nötige Schlüs* Wolfgang Rambow
... ist Manager Reference Designs
bei der TDK Corporation, München.
36
durch 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, nämlich von 500 auf 420 V (Bild 3).
K
r: TD
DC-Link-Kondensatoren
für Ruhe im Zwischenkreis
Bilde
ür elektrische Antriebe werden
in industriellen Anwendungen hauptsächlich
Asynchronmotoren verwendet; für AutomotiveAntriebe 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 5 kV/µs
(gemäß IEC 60034-18-41). Grund für
diesen Grenzwert ist die Isolationsfestigkeit der Wicklungen. Beim InverterBetrieb 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 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 bis 1606,5 kHz) zur Folge,
die den Empfang im Auto nahezu unmöglich
machen.
Bild 1: Das gemeinsam
von TDK und Infineon
entwickelte Referenz-Design
HybridPACK für Inverter in
Automotive und Industrie.
selkomponenten neu entwickelt, sorgfältig
aufeinander abgestimmt und damit den
bisherigen HybridPACK HP 1 verbessert. Neben Verwendung der neuesten IGBT3-ChipGeneration mit erhöhter Durchbruchspannung von 705 V kommen (statt bisher zwei)
nun sechs DC-Anschlüsse zum Einsatz (Bild
2). In Verbindung mit dem modifizierten DCLink-Kondensator von EPCOS konnte da-
Durch die vier zusätzlichen DC-Anschlüsse wird die Stromtragfähigkeit
des Moduls in Verbindung mit der
Stromschiene am 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, lassen sich mit der neuen Variante in
ihrer Leistungsfähigkeit einfach
erweitern, da die Abmessungen im
Vergleich zur Vorgängerversion
weitgehend beibehalten werden.
Dadurch ist eine gute Skalierbarkeit für verschiedene xEV-Anwendungen möglich.
Die Vorgängerversion HybridPACK1 mit zwei DC-Anschlüssen
erreicht aufgrund einer 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 DC-Link-Kondensator) lässt sich
der Strom in der DC-Versorgung des Moduls
aufteilen, sodass eine bessere Ausnutzung
des Moduls gegeben ist. In Bild 3 rechts ist
beim Nennstrom der Strom von 400 A durch
die innere Stromschiene dargestellt.
Eine weitere Neuentwicklung ist der EPCOS-DC-Link-Kondensator B25655P4477J
(Bild 4). Er ist hinsichtlich seiner Anschlüsse
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
STROMVERSORGUNG // REFERENZ-DESIGN FÜR UMRICHTER
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 VDC oder 500 VDC verfügbar
und zeichnet sich durch Abmessungen von
nur 154 mm x 72 mm x 50 mm 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.
Hohe EMV-Performance
trotz ungeschirmter Leitung
TDK hat auch eine Serie von ZweileiterHochvolt-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-HochvoltDC-Filter der Serie P100316 (Bild 5) sind für
eine maximale Spannung von 600 VDC ausgelegt und entsprechen damit den typischen
Spannungen, die von Hochvolt-Batterien
bereitgestellt werden. Die Stromtragfähigkeiten der Filter liegen bei 150 ADC oder 350
ADC, wodurch sich auch Antriebssysteme
mit Leistungen bis etwa 100 kW befiltern
lassen. Der Gleichstromwiderstand liegt für
alle Typen bei nur 0,05 mΩ, sodass auch bei
hohen Strömen keine nennenswerten Verluste auftreten.
Die Wirksamkeit der Filter ist so hoch, dass
auf den üblichen Einsatz geschirmter Leitungen zwischen Batterie und Inverter verzichtet
werden kann (Bild 6). Dies bringt nicht nur
Kosten- und Gewichtsvorteile, sondern sorgt
auch für höhere Langzeitstabilität, da eine
aufwändige und störanfällige Schirmanbindung entfallen kann.
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 einem 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 punkten 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 mm x 65 mm x 65 mm
und 121 mm x 52 mm x 52 mm. Neben den
Ausführungen mit genereller Gleichtaktunterdrückung sind auch Typen verfügbar, die
im Langwellenspektrum zwischen 150 und
Bild 2: Das IGBT-Modul HybridPACK1-DC6 ist für 705
V und 400 A ausgelegt. Durch sechs DC-Anschlüsse
ist dieses Design sehr niederinduktiv.
300 kHz eine besonders hohe Filterwirkung
aufweisen.
Ferritkerne erhöhen die
Lebensdauer von Motoren
Am Ausgang des Inverters treten durch die
steilen Schaltflanken Spannungsspitzen auf,
Bild 3: Deutliche Senkung der Überspannung; aufgrund der geringeren Spannungsspitzen beim Schalten
werden IGBT-Modul und Motor geschont.
Optimierte Kühlung
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STROMVERSORGUNG // REFERENZ-DESIGN FÜR UMRICHTER
Bild 4: Platzsparender EPCOSZwischenkreiskondensator;
mittels der PCC-Technologie wird
ein Füllfaktor von fast 1 erreicht.
Bild 6: Emissionen
bei Verwendung des
EPCOS-HochvoltDC-EMV-Filters;
durch Einsatz des
neuen EMV-Filters
zwischen Batterie
und Inverter werden
besonders die leitungsgebundenen
Emissionen (trotz
Verwendung eines
ungeschirmten
Kabels) drastisch
gesenkt.
Bild 7: Dämpfung von Gleichtaktstörungen; mit den EPCOS-Ferrit-Kernen werden die Störgrenzen der
Klassen I und III eingehalten.
Bild 5:
Die Anschlüsse der DC-HochvoltFilter-Version P001316 sind so
geformt, sodass sie sich direkt mit dem
EPCOS-DC-Link-Kondensator verbinden
lassen. Ergebnis sind Platzeinsparung,
geringe Induktivität und kleine Übergangswiderstände.
die durch die parasitäre Induktivität der Motorleitungen noch überhöht werden können.
Unter ungünstigen Umständen führen die
Spannungsspitzen zu Überschlägen in den
Motorwicklungen und zerstören diese.
Gleichzeitig führt die Schaltfrequenz des Inverters zu höherfrequenter Beaufschlagung
der parasitären Kapazitäten zwischen den
Wicklungen und Gehäusen (Massepotenzial)
der Elektromotoren. 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 zugleich die Ableitströme auf ein unkritisches Niveau gesenkt.
Damit ist sichergestellt, dass die Störgrenzen
der Klasse I und III eingehalten werden (Bild
7).
TDK hat diesbezüglich ein breites Spektrum an EPCOS-Ringkernen der Serie B64290L
in unterschiedlichen Abmessungen und Ferritmaterialien entwickelt, die jeweils für bestimmte Frequenzbereiche und Temperaturen optimiert sind und sich auf jedes Antriebssystem abstimmen lassen. Empfohlen
werden hier Materialien wie T65, N30, N87,
welche auch für EPCOS-EMV-Drosseln Verwendung finden.
Darüber hinaus wurde ein Treiber-Board
für das HybridPACK1-DC6-Modul entwickelt,
das auf den Infineon Gate-Treibern der Serie
1ED020I12FA2 basiert und eine effiziente und
EMV-gerechte Ansteuerung bietet. Damit
erhält der Anwender eine einfach umzusetzende und skalierbare Komplettlösung. So
ist es erstmals gelungen, eine Leistungsendstufe bestehend aus IGBT-Modul, DC-LinkKondensator, EMV-Filter und Gate-Ansteuerung anzubieten, in der die Notwendigkeiten
der EMV-Maßnahmen von Anfang an berücksichtigt sind.
// KU
TDK/EPCOS & Infineon
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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Impressum
REDAKTION
09231
Chefredakteur: Johann Wiesböck (jw), V.i.S.d.P. für die redaktionellen Inhalte,
Ressorts: Zukunftstechnologien, Kongresse, Kooperationen, Tel. (09 31) 4 18-30 81
Chef vom Dienst: David Franz (df), Ressorts: Beruf, Karriere, Management, Tel. -30 97
Verantwortlich für dieses Sonderheft: Gerd Kucera (ku)
Redaktion München: Tel. (09 31) 4 18Sebastian Gerstl (sg), ASIC, Entwicklungs-Tools, Mikrocontroller, Prozessoren,
Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 98;
Franz Graser (fg), Prozessor- und Softwarearchitekturen, Embedded Plattformen, Tel. -30 96;
Martina Hafner (mh), Produktmanagerin Online, Tel. -30 82;
Hendrik Härter (heh), Messtechnik, Testen, EMV, Medizintechnik, Laborarbeitsplätze, Displays,
Optoelektronik, Embedded Software Engineering, Tel. -30 92;
Holger Heller (hh), ASIC, Entwicklungs-Tools, Embedded Computing, Mikrocontroller,
Prozessoren, Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 83;
Gerd Kucera (ku), Automatisierung, Bildverarbeitung, Industrial Wireless, EDA,
Leistungselektronik, Tel. -30 84;
Thomas Kuther (tk), Kfz-Elektronik, E-Mobility, Stromversorgungen, Quarze & Oszillatoren,
Passive Bauelemente, Tel. -30 85;
Kristin Rinortner (kr), Analogtechnik, Mixed-Signal-ICs, Elektromechanik, Relais, Tel. -30 86;
Margit Kuther (mk), Bauteilebeschaffung, Distribution, E-Mobility, Tel. -30 99;
Freie Mitarbeiter: Prof. Dr. Christian Siemers, FH Nordhausen und TU Clausthal; Peter Siwon,
MicroConsult; Sanjay Sauldie, EIMIA; Hubertus Andreae, dreiplus
Verantwortlich für die FED-News: Jörg Meyer, FED, Alte Jakobstr. 85/86, D-10179 Berlin,
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Redaktionsassistenz: Eilyn Dommel, Tel. -30 87
Redaktionsanschrift:
München: Grafinger Str. 26, 81671 München, Tel. (09 31) 4 18-30 87, Fax (09 31) 4 18-30 93
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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
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AKTUELLE PRODUKTE // LEISTUNGSELEKTRONIK
HIGH-SPEED, SWITCHING POWER & MOTOR CONTROL
Neue Superjunction-MOSFETs, SiC-Schottky-Dioden und IPMs
Die Entwicklung der nächsten
Generation seines Superjunction-(SJ)-Deep-Trench-Halbleiterfertigungsprozesses (DTMOS)
für Leistungs-MOSFETs kündigte
Toshiba Electronics Europe an
und stellte zeitgleich seine neuen
Schottky-Barrier-Dioden
(SBDs) der zweiten Generation
vor. Zudem erweiterte Toshiba
sein Angebot an integrierten
600V/5 HV-IPDs (High Voltage
Intelligent Power Devices) für die
Hochspannung-PWM-Ansteuerung von BLDC-Motoren. MOSFETs, die im Superjunction-DTMOS-V-Prozess gefertigt werden,
sorgen für geringere elektroma-
gnetische Störungen (EMI) und
bieten einen niedrigeren Durchlasswiderstand als die vorherigen DTMOS-IV-MOSFETs. Mit
DTMOS V (siehe Bild) kann Toshiba den RDS(on) des im DPAKGehäuse befindlichen TK290P60Y um bis zu 17% verringern – verglichen mit dem bisher
niedrigsten RDS(on) zur Verfügung
stehenden TK12P60W DTMOS-IV
MOSFET. Zudem wurde eine optimale Abwägung zwischen
Schaltleistung und EMI erzielt.
Die neuen Schottky-Barrier-Dioden (SBDs), die nun in der zweiten Generation der eigenen Siliziumkarbid-Halbleitertechnolo-
gie (SiC) gefertigt werden, liefern
eine bis zu 50% höhere Stromdichte im Vergleich zur ersten
Generation. Auch die Spitzenstrombelastbarkeit wurde erhöht. Mit dem SiC-Prozess der
zweiten Generation war Toshiba
imstande, die Chip-Höhe weiter
zu verringern. Im Vergleich zur
ersten Generation lassen sich
damit SBDs mit einer 1,5-fachen
Stromdichte fertigen. Die zweite
Generation von SiC SBDs bietet
zusätzlich höhere einmalige
Durchlassspitzenstromwerte
(IFSM). Die ersten Bausteine werden 650-V-SBDs mit den Nennströmen 4 A (TRS4E65F), 6 A
(TRS6E65F), 8 A (TRS8E65F) und
10 A (TRS10E65F) im TO-220
2-Pin-Gehäuse sein. Die Lösungen im isolierten TO-220-2-PinGehäuse werden als TRS..A65F
bezeichnet. Die Dioden eignen
sich für schnell schaltende Leistungswandler-Designs mit Leistungsfaktor-Korrektur (PFC),
Solar-Wechselrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Toshibas SiC SBDs
verbessern auch den Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen, indem herkömmliche SiliziumDioden durch sie ersetzt werden.
Schließlich vereinfachen die
neuen High Voltage Intelligent
Power Devices (HV-IPDs)TPD4207F den Aufbau hocheffizienter BLDC-Antriebe, die sich in
Haushaltsgeräten bis hin zu Industriepumpen und -lüftern finden. Der Baustein enthält einen
Controller und Treiberlogik,
Hochspannungs-MOSFETs mit
3-Phasen-Brückenausgang,
Bootstrap-Dioden und umfassende Schutzfunktionen. Die
Signale für die Ansteuerung eines BLDC-Motors kommen von
einem Host-Mikrocontroller oder
Motor-Controller-IC an die Eingänge des TPD4207F. Der Baustein basiert auf Toshibas Hochspannungs- Super Junction
MOSFET-Technologie (DTMOS
IV) und einem Treiber-IC in Multi-Chip-Konfiguration. Das Gehäuse ist so konzipiert, dass alle
Kleinsignalanschlüsse von den
Stromkontakten getrennt sind.
Zu den integrierten Funktionen
zählen Schutz gegen Überstrom
und Unterspannung sowie eine
Abschaltung bei Überhitzung.
Der TPD4207F hat ein SOP30-Gehäuse.
Toshiba Electronics Europe
Das neue Power Programm 2016
Programmierbare Labor
Labor- und H
Hochleistungsnetzgeräte
l i t
t
ät (AC/DC)
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Leistungen 160 W bis 15 kW (Systeme bis 300 kW)
Spannungen 0...16 V bis 0...12000 V
Ströme 0...4 A bis 0...510 A (Systeme bis 6000 А)
State-of-the-art µ-Prozessor Steuerung (FPGA)
Modulare hochisolierte Architektur
Flexible Ausgansstufen (Autoranging Output)
PV (Solar) Array Simulation
Batterie- und Brennstoffzellen Simulation
Alarm Management, Nutzerprofile
Funktionsgenerator Sinus, Rechteck, Trapez,
Rampe, Arbiträr
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konventionell und mit Netzrückspeisung
• Leistungen 400 W bis 10,5 kW (Systeme bis 300 kW)
• Spannungen 0...80 V bis 0...1500 V
• Ströme 0...25 A bis 0...510 A (Systeme bis 6000 A)
• State-of-the-art µ-Prozessor Steuerung (FPGA)
• Modulare hochisolierte Architektur
• Mit Netzrückspeisung (Eff. >90%) und ENS (optional)
• Betriebsmodi CV, CC, CP, CR, Batterietest, MPPT
• Für Photovoltaik (PV) Array, Ultracap,
Brennstoffzellen, EV-Motoren
• Funktionsgenerator Sinus, Rechteck, Trapez,
Rampe, Arbiträr
• Für Auftisch, 19“ Integration und Wandmontage
• Analog, Ethernet, USB, CAN, Profibus, GPIB u.v.m.
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Helmholtzstrasse 31- 37 D-41747 Viersen Tel.: +49 (0) 21 62 / 37 850
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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Von Analog-Experten für Analog-Experten
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Der Blog für Analog-Entwickler.
REINKLICKEN
UND MITDISKUTIEREN
08703
1200 V und 180 A ausgelegtes
und auf Siliziumkarbid (SiC) basierendes Power-Modul (Bild)
mit der Bezeichnung BSM180D12P3C007. Das Halbbrücken-SiCModul integriert bei einem gegenüber früheren Modulen unveränderten Footprint massenproduzierte SiC-MOSFETs in
Trench-Bauweise sowie SiCSBDs. Im Modul enthalten sind
MOSFETs mit der UMOS-Struktur. Sie kombiniert einen niedrigen Drain-Source-Widerstand
mit hoher Schaltgeschwindigkeit
und weist dank der extrem niedrigen Vorwärtsspannung und der
sehr schnellen Sperrverzögerungs-Eigenschaften der eingebauten SiC-SBDs nahezu keine
Sperrverzögerungs-Verluste Err
auf. Diese Verbesserungen führen dazu, dass die Schaltverluste
bei diesem Modul um 77% geringer sind als bei konventionellen
IGBT-Modulen, und 42% geringer als bei planaren SiC-Modulen
auf der Basis einer SiC-DMOSStruktur der zweiten Generation.
Dies ermöglicht nicht nur den
Betrieb mit hohen Frequenzen,
sondern leistet auch einen Beitrag zur Verwendung kleinerer
Kühlsysteme und PeripherieBauelemente. Diese Eigenschaften schaffen die Voraussetzungen für eine größere Energieersparnis und eine stärkere Miniaturisierung der finalen Produkte.
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Die dritte Generation seiner SiCSBDs (Schottky Barrier Diodes)
hat ROHM Semiconductor vorgestellt. Im Zuge der fortlaufenden
Weiterentwicklung des Portfolios sind ersten Bausteine für 650
V mit 6 A, 8 A und 10 A jetzt verfügbar. Die neuen Dioden im
TO220AC-Gehäuse bieten unter
allen SiC-SBDs auf dem Markt
laut Herstellerangaben die niedrigsten VF- und IR-Werte über den
gesamten Temperaturbereich.
Aufgrund ihrer hohen Stoßstromfestigkeit sind sie für den
Einsatz in Stromversorgungsschaltungen geeignet. SiC-Dioden zeichnen sich gegenüber
Silizium-Bauelementen durch
ein stabileres Temperaturverhalten und extrem kurze Sperrverzögerungszeiten aus, was sie zur
idealen Wahl für schnelle Schaltanwendungen macht. Die durch
eine extrem stabile und geringe
Vorwärtsspannung bei hohen
Temperaturen gekennzeichneten SiC-SBDs garantieren darüber hinaus einen minimalen
Rückstrom. Im Unterschied zur
Single-SBD-Struktur der ersten
Generation enthält die dritte Generation ergänzend zur Schottky-Barriere auch eine PN-Sperrschicht, was zusätzlich für Langlebigkeit im bipolaren Betrieb
sorgt. In ihrer Gesamtheit kommen diese Eigenschaften dem
anhaltenden Trend zu hohen
Wirkungsgraden, hoher Leistungsdichte und höchst robusten
Designs entgegen. Desweiteren
gibt es von ROHM ein neues, für
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41
AKTUELLE PRODUKTE // LEISTUNGSELEKTRONIK
AUTOMOTIVE-HALBLEITER
IGBTs und Dioden für (kundenspezifische) Traktionsumrichter
Fairchilds aktuelle AutomotiveInnovationen sollen Autobauern
und Zulieferern mehrfache Optionen für Traktionsumrichter und
andere Motor- und Getriebekomponenten geben. Zum Portfolio
an Automotive-Produkten für
hybrid-elektrische (HEV), Plugin hybrid-elektrische (PHEV)
und voll elektrische Fahrzeuge
(EV) gehören neue diskrete und
Bare-Die-IGBTs und Dioden. Diese IGBTs und Dioden sind für
Traktionsumrichter ausgelegt,
einer Kernkomponente aller
HEVs, PHEVs and EVs zur Wandlung der elektrischen Energie der
Batterien von Gleichstrom in
Drehstrom. Alle neuen diskreten
und Bare-Die-IGBTs und Dioden
verwenden eine Field-StopTrench-IGBT-Technologie der
dritten Generation und eine
schnelle Soft-Recovery-Diode.
Sie entsprechen den Standards
der Automotive-Qualifizierung,
mit zusätzlichen Funktionen und
Optionen. Mit der Kombination
dieser Technologien, Funktionen und Optionen bietet
Fairchild entsprechende Produkte mit sehr enger parametrischer
Streuung.
Die IGBTs FGY160T65SPD
F085 und FGY120T65SPD F085
sind geeignet für Traktionswand-
ler und andere HEV/PHEV/EV
Powertrain-Komponenten, die
hohe Leistungsdichte und hohe
Zuverlässigkeit erfordern. Eine
weitere Erhöhung ihrer Robustheit ergibt sich durch das zusätzliche Screening im Final-Test,
das die spezifischen Forderungen von Traktionswandler-Applikationen berücksichtigt und alle
Komponenten zu 100% erfasst.
Zusammen mit der Durchbruchspannung von 650 V, die um 50
V höher liegt als in bestehenden
Lösungen, biete dieser zusätzliche Fertigungsschritt einen weiteren Schutz gegen elektrische
Überlastung. Ergänzend zur Per-
formance und Zuverlässigkeit
bieten diese diskreten IGBTs die
Flexibilität zur Kundenspezifizierung von Produkten. Dazu
können die Entwickler zusätzliche IGBTs parallel anordnen, um
die erforderliche Systemleistung
zu erzielen. Damit erhöhen sie
außerdem den Gesamtwirkungsgrad ihrer Traktionswandler
oder anderer Getriebekomponenten.
Fairchild kündigte außerdem
die Verfügbarkeit der Bare-DieIGBTs und Dioden für Autohersteller und Zulieferer an (PCGA200T65NF8, PCRKA20065F8,
PCGA300T65DF8 und PCRKA30065F8), die ihre eigenen
Leistungsmodule für High-Performance-Traktionswandler und
andere Getriebekomponenten
entwickeln. Bare-Die-IGBTs von
Fairchild sind auch mit monolithisch integrierten Strom- und
Temperatur-Sensing-Funktionen
verfügbar, um zusätzliche Schutzebenen zu schaffen. Alle BareDie-IGBTs können kundenspezifiziert werden, um Spezialanforderungen zu erfüllen. Diese Optionen umfassen die Größe und
Platzierung der Gate-Pads zur
Anpassung an unterschiedliche
Alu-Drähte und Die-Formate,
sowie die Wahl der Durchbruchspannung und anderer elektrischer Parameter. Eine Version
mit lötbarer metallischer Oberfläche ist ebenfalls lieferbar.
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Lithium-Technologien
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AKTUELLE PRODUKTE // LEISTUNGSELEKTRONIK
GAN HEMTS
650-V-GaN-HEMT mit 41 mΩ
Total
dicht
IP 68
schukat.
Energieumwandlungsanwendungen zu finden sind. Ergänzt
wird das Portfolio an GaN-Produkten durch die ebenfalls neue
TPH3208-Familie mit 650 V
Schaltspannung, 130 mΩ Durchgangswiderstand, 21 A Dauerund 80 A Spitzenstrom sowie 54
nC Qrr in den Standard-Gehäusen TO-220 und PQFN. GaN-Leistungshalbleiter eignen sich für
hohe Schaltfrequenzen. Der geringe Einschaltwiderstand, die
hohen zulässigen Arbeitstemperaturen bis über 150 °C, die Abwesenheit eines Miller-Plateaus
und der reduzierte Schaltungsaufwand (beispielsweise sind
keine Freilaufdioden in Brückenschaltungen erforderlich) sind
weitere Vorteile der GaN-Technologie. Transphorm ist ein global
tätiges Halbleiterunternehmen,
das Galliumnitrid-(GaN)-Bauelemente zur Hochspannungs-Leistungsumwandlung entwickelt
und auch fertigt. Transform besitzt ein starkes IP-Portfolio,
mehr als 300 Jahre GaN-Engineering-Kompetenz und beliefert
eine wachsende Kundenbasis.
S C H U K AT
--> facebook.com/elektronikpraxis
09232
GaN-Experte transphorm, vertreten durch HY-LINE Power Components, fertigt High ElectronMobility-Transistoren aus Galliumnitrid (GaN HEMTs) und offeriert nun den TPH3207 für
Spitzenströme von 220 A und
Dauerströme von 47 A bei einer
Schaltspannung von 650 V. Er
besitzt 41 mΩ Durchgangswiderstand sowie einen Qrr (Reverse
Recovery Charge) von 175 nC bei
voller JEDEC-Qualifikation. Der
Baustein bringen die Vorzüge der
GaN-Technologie in Applikationen ein, die bisher auf den Einsatz von Silizium angewiesen
waren. So lassen sich Lösungen
mit hoher Leistungsdichte für
Hochspannungs-Leistungsumwandlungsanwendungen erzielen, die weniger Komponenten
benötigen und zuverlässiger
sind. Besonders vorteilhaft ist
dies in hart schaltenden Brücken
sowie brückenlosen Totem-PoleLeistungsfaktorkorrektur(PFC)Designs mit einem kontinuierlichen Stromfluss (CCM - continuous conduction mode), wie sie
in On-Board-Ladegeräten, SolarWechselrichtern, Telekommunikationsnetzteilen und anderen
com
HY-LINE/transphorm
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
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STROMVERSORGUNG // ENERGY NEIGHBOR
Bild 1: Der dezentrale und stationäre Batteriespeicher
Energy Neighbor; mit Hilfe der lokal zwischengespeicherten erneuerbaren Energien werden Transportverluste und Schwankungen im Stromnetz reduziert.
oenix Co
Bilder: Ph
ntact
Hybrid-Steckverbinder
für modulare Energiespeicher
Das Verkabeln großer Batterie-Energiespeicher ist zeitaufwendig und
birgt ein hohes Risiko von Installationsfehlern bei der Inbetriebnahme.
Ein Anschluss über Hybrid-Steckverbinder ist schnell und sicher.
PETER RICHTER *
D
ezentrale stationäre Batteriespeicher,
die erneuerbare Energien effizient
nutzen und dabei das Netz stabilisieren, sind ein zentraler Bestandteil der Energiewende. Die modular aufgebauten Batteriespeicher des Energy Neighbor (Bild 1), der
im oberbayerischen Moosham an den Start
gegangen ist, werden mittels rechteckigen
Hybrid-Steckverbindern von Phoenix Contact angeschlossen.
* Peter Richter
... arbeitet im Produkt-Marketing
Geräteanschlusstechnik bei Phoenix
Contact, Blomberg.
44
Ob auf der Nordseeinsel Pellworm, auf den
Bergkuppen der Alpen oder im sonnenreichen Baden-Württemberg – deutschlandweit
erzeugen etwa 1,5 Mio. PV- und 25.000 Windenergie-Anlagen Strom aus erneuerbaren
Energien. Die Gesamtleistung beider Systeme betrug 2015 in Deutschland mehr als 124,5
Mrd. kWh.
In Spitzenzeiten liefern die Anlagen oft
mehr Energie als in den Gemeinden vor Ort
benötigt wird. Bei energietechnisch ungünstiger Wetterlage hingegen müssen die Haushalte ihren Energiebedarf zusätzlich aus
überregionalen Netzen decken.
Vor diesem Hintergrund gewinnen Batteriespeicher zunehmend an Bedeutung. Im
Praxisbetrieb sind die Systeme modular aufgebaut; erst an ihrem Bestimmungsort werden die Batterieeinheiten in die SpeicherRacks eingebaut. „Dadurch lassen sich die
Batteriesysteme einfacher handhaben und
wichtige Sicherheitsanforderungen erfüllen“, erläutert Konstrukteur Eugen Budjugin
(Bild 2) von der Varta Storage GmbH. „Lithium-Ionen-Batterien unterliegen speziellen
Vorschriften der Vereinten Nationen für den
Gefahrgut-Transport.“ Erst in Reihe geschaltet erreichen sie dann die nötige Spannung,
um große Energiemengen effizient zu speichern.
Varta Storage ist ein führender Spezialist
für Energiezwischenspeicherung. Das Unter-
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
STROMVERSORGUNG // ENERGY NEIGHBOR
Es ist daher sinnvoll, die Speichermodule
nicht zu verkabeln, sondern mittels Steckverbindern (Bild 4) anzuschließen. Batteriespeichersysteme sind grundsätzlich so aufgebaut, dass sie aus einem oder mehreren
Batteriemodulen bestehen. Jedes Batteriemodul enthält die Batteriezellen und ein
Batterie-Management-System, das für die
Überwachung der Zellparameter zuständig
ist. Somit bildet ein Batteriemodul sowohl
eine mechanische als auch elektrische Einheit.
Budjugin: „Unsere Batteriemodule sind
mit einem Stecksystem von Phoenix Contact
ausgestattet, sodass beim Einführen der Module sowohl Kommunikations- als auch Leistungsanschlüsse automatisch kontaktiert
werden.“
Über diese flexible Schnittstelle können
Ströme bis zu 100 A bei mehreren 100 V
Spannung fließen. Durch das Verbindungssystem wird das Kontaktieren der Batteriemodule nicht nur sicherer, sondern auch
einfacher und schneller.
Den Hybrid-Steckverbinder, der diese speziellen Anforderungen erfüllt (Bild 5), hat
Phoenix Contact in Kooperation mit Varta
Storage entwickelt. Basis des Steckverbinders war die Produktfamilie Variocon – ein
kompaktes Rechteck-Steckverbindersystem
auf IP67-Basis, das sich für den Einsatz an
Geräten, aber auch an Klemmenkästen und
Schaltschränken im rauen Industrieumfeld
eignet.
Klein,
schwarz,
stark
JA HR
3
ar
E
Der Steckverbinder
als flexible Schnittstelle
Bild 2: Eugen Budjugin hat als System Design
Engineer bei der Varta Storage die Entwicklung des
Batteriespeichers begleitet.
G
nehmen hat sich auf innovative Lithium-Ionen-Batteriespeicher für private Haushalte
und industrielle Anwendungen spezialisiert
und ist Teil der Varta-Microbattery/Varta
Storage-Unternehmensgruppe. Durch diverse Forschungs- und Entwicklungsprojekte
leistet das Unternehmen einen effizienten
Beitrag zur Energiewende. So hat das im bayrischen Nördlingen ansässige Unternehmen
in Zusammenarbeit mit der Technischen
Universität München (TUM), der Kraftwerke
Haag GmbH und dem Bayerischen Zentrum
für angewandte Energieforschung (ZAE) den
stationären Energiespeicher für regenerative
Energien entwickelt (Bild 3), der als Energy
Neighbor an den Start gegangen ist.
Bei handelsüblichen, bereits in Betrieb
genommenen Batteriespeichersystemen
wurden die einzelnen Batteriemodule (fast
immer Lithium-Ionen-Akkus) aufwendig untereinander verkabelt. „Erfolgt die Reihenschaltung über Verbindungsleitungen, werden die Kabel mit den Plus- und Minuspolen
der Batterieblöcke verschraubt“, erklärt
Budjugin, „bei der Inbetriebnahme von
Großspeichern entsteht dabei allerdings ein
hoher und zeitaufwendiger Verkabelungsaufwand. Außerdem steigt bei dieser Methode mit der Anzahl der Batteriemodule auch
das Risiko von Installationsfehlern.“
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Bild 3: Einschubvorgang im Batterie-Rack; acht Racks mit jeweils 13 Modulen liefern eine Speicherkapazität
von 200 kWh.
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
45
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STROMVERSORGUNG // ENERGY NEIGHBOR
Bild 4: Batteriemodul im Aufnahmefach des Racks; eine millimetergenau gefertigte Modulaufnahme wäre
technisch möglich, die Toleranzen in der Praxis aber noch immer zu groß für eine zuverlässige Verbindung.
Bild 5: Steckverbinder mit
Führungszapfen im Rack;
aufgrund der besonderen
Kontaktgeometrie der Batteriesteckverbinder sind Installationsfehler ausgeschlossen
(horizontale und vertikale
Toleranzen werden ebenso
zuverlässig ausgeglichen wie
sphärischer Winkelversatz).
Fünf Kontakte für die Leistung
und acht für die Signal
Bereits in der Konzeptionsphase des Energy Neighbor entschied man sich für ein modular aufgebautes Speichersystem. Bei der
Entwicklung des Steckverbindersystems
konnte man auf andere bereits erprobte
Steckverbinder aus anderen Batteriespeicher-Projekten aufsetzen. Denn elektrische
Energiespeicher gewinnen nicht nur zur Stabilisierung des Stromnetzes, sondern auch
bei mobilen Werkzeugen und Maschinen
sowie in der Elektromobilität zunehmend an
Bedeutung.
Die für den Energy Neighbor entwickelte
Variante verfügt über insgesamt 13 Kontakte;
fünf Leistungs- und acht Signalkontakte. Die
hohe Kontaktdichte stellt während des Steckvorgangs besondere Anforderungen an den
Toleranzausgleich. Hier kommt das spezielle Design des Batteriewechsel-Steckers zum
Tragen: Die 13 Kontakte sind in einem
schwimmend verbauten Kontakteinsatz mit
zusätzlichen Führungszapfen angeordnet.
Die Führungszapfen ragen über die Kontak-
46
te hinaus und sorgen dafür, dass das Steckerteil des Batteriemoduls während des Steckvorgangs korrekt ausgerichtet wird.
Hohe Anforderungen
an die Steckverbinder
Mit 200 kWh Speicherkapazität und 250
kW Leistung kann der Speicher Leistungsspitzen von Solar- und Windkraftanlagen
aufnehmen und Verbrauchsspitzen der vor
Ort angeschlossenen Haushalte ausgleichen.
Auch Regelleistung und andere Netzdienstleitungen stellt der Energy Neighbor bereit.
Das in einem Container integrierte Batteriespeichersystem besteht aus acht Racks mit
jeweils 13 Batteriemodulen. Hinzu kommen
die Leistungselektronik, Energy- und Batterie-Managementsysteme. Die komplexe Anlage hat ein Gesamtgewicht von acht Tonnen.
„Bei Bedarf können wir unser Speichersystem in 25-Kilowatt-Schritten um weitere
Racks aufstocken“, berichtet Budjugin, „mit
einem zusätzlichen Trafo könnte es sogar
netzunabhängig als Insellösung oder USVSystem genutzt werden.“
Für eine einfache Installation und einen
schnellen Austausch von Batteriespeichermodulen werden auch hohe Anforderungen
an die Leistungsfähigkeit und Verbindungssicherheit gestellt. Bei einer manuellen Verbindung von Buchsen- und Stiftteil eines
Steckverbinders gleicht der Installateur den
Versatz der beiden Komponenten intuitiv
aus, zentriert diese zueinander und führt
beide Teile manuell ineinander. Der Anwender erhält eine direkte taktile Rückmeldung,
ob Stift und Buchse korrekt und sicher miteinander verbunden sind. Diese Rückmeldung ist bei den Batteriewechselsystemen
des Energy Neighbor nicht möglich. Der Installateur schiebt stets ein komplettes Batteriemodul in die Aufnahme und kann daher
die korrekte Position der Stift- und Buchsenkontakte nicht taktil erfassen. Aus diesem
Grund müssen hier alle beteiligten Komponenten hochpräzise zusammenwirken.
Fazit: Die modularen Rechtecksteckverbinder von Phoenix Contact bilden die
Schnittstelle für Energie und Daten in den
Batteriespeichersystem der Varta Storage
GmbH. Das Zusammenwirken von Anschlusstechnik und Batteriemodulen reduziert die Inbetriebnahme- und Austauschzeit
des Großspeichers erheblich, da die einzelnen Module nicht manuell verdrahtet werden müssen. So lassen sich schlüsselfertige
netzunabhängige Energiespeicherlösungen
unterschiedlicher Kapazitäten konzipieren,
die eine umweltfreundliche und zukunftsfähige Alternative zu bestehenden Dieselgeneratoren darstellen.
Wichtige Pionierarbeit
für moderne Energieversorgung
Der prototypische Batteriespeicher Energy
Neighbor von Varta Storage stellt seit Ende
2015 im Praxiseinsatz seine Fähigkeiten unter Beweis. Die Einbindung der containergroßen Batterie in das Netz der Kraftwerke Haag
am Ortsrand von Moosham bei München
liefert wichtige Erkenntnisse für die Gestaltung der Energiewende. Im Mooshamer Feldtest wird Pionierarbeit geleistet für die Energieversorgung von morgen. „Hier gewinnen
wir Erkenntnisse aus dem täglichen Einsatz,
die wir für die Weiterentwicklung unserer
Speichersysteme nutzen“, erläutert Budjugin
abschließend, „viele Ortstransformatoren
kommen bereits mit den vorhandenen Solaranlagen an ihre Belastungsgrenzen. Wir erwarten wichtige Erkenntnisse darüber,
wie sich ein solcher Speicher auf die Stabilisierung des Niederspannungsnetzes auswirkt.“
// KU
Phoenix Contact
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
AKTUELLE PRODUKTE // STROMVERSORGUNG
AC/DC-WANDLER
Geeignet für 3-Phasen-AC- und Hochvolt-DC-Eingangsspannungen
Die potenzialgetrennten Wandler der Serie HVC können sowohl
am Dreiphasen-Generatornetz
mit 320 bis 560 VAC als auch am
DC-Hochvolt-Zwischenkreis 220
bis 950 VDC betrieben werden. Sie
arbeiten mit einer PWM-Frontendstufe, einem geregelten LLCWandler und verstärkter Isolation auf den Ausgang. Die Ausgangsgleichrichtung ist als Synchrongleichrichtung für einen
statisch/dynamisch kurzschlussfesten 24- bzw. 48-V-Ausgang
ausgelegt. Der Eingang ist gegen
Verpolung geschützt. Die maxi-
male statische Leistung beträgt
750 W sowie dynamisch 1000 W
im Temperaturbereich –40 bis
85 °C. Der AC-Eingang ist mit einer Dreiphasengleichrichtung
ausgestattet, auch für DC geeignet und mit einer 1000-V-Katastrophenschutzsicherung abgesichert. Ein- und Ausgang sind
gemäß EN 55022 A funkentstört.
Optional ist eine Zusatzfunktion
für ein intelligentes Batterielademanagement mit U=f (TBAT)
verfügbar bzw. für eine CAP-Ladung ab 0 V und für die geregelte Parallelschaltbarkeit von bis
zu drei Geräten. Eine potenzialgetrennte, polaritätsunabhängige und surgefeste Wake-upFunktion ist ebenfalls verfügbar.
Über die optionale CAN-Schnittstelle ist die Kommunikation
möglich und über das Anwendungsprogramm werden die
Betriebsparameter ausgegeben.
Darüber hinaus stehen LEDs
sowie potenzialfreie Relaiskontakte für die Diagnose zur Verfügung. Die verstärkte Isolation
wurde nach OV2/PD2 ausgelegt mit 12 mm (Eingang-Ausgang) und 6 mm (Masse). Die
Maße sind 236 mm x 203 mm x
79 mm bei einem Eigengewicht
von 4 kg. Die Wandler sind gemäß EN50163 lageunabhängig
schock-/vibrationsfest.
SYKO
INDUKTIVES LADEN
Drahtloser 5-Watt-AutoResonant-Energieübertrager
Der drahtlose Energieübertrager
LTC4125 von Linear Technology
ergänzt das Angebot an Energieempfänger-ICs für drahtlose Akkulader. Es handelt sich um einen einfachen, hochleistungsfähigen, monolithischen Vollbrücken-Resonanztreiber, der
eine Leistung von bis zu 5 W
drahtlos zu einem passenden
Empfänger überträgt. Der Baustein fungiert als Sender in einem drahtlosen Energieübertragungssystem, das aus einer Senderschaltung, einer Senderspule, einer Empfängerspule und
einer Empfängerschaltung besteht. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Sender dieser Art
bietet der LTC4125 eine AutoResonant-Funktion, die die verfügbare Empfangsleistung maximiert, einen Optimum-Power-
Search-Algorithmus, der den
Gesamtwirkungsgrad des Energieübertragungssystems maximiert, sowie eine Fremdgegenstand-Erkennungsfunktion, die
auch in Anwesenheit elektrisch
leitender Fremdgegenstände einen sicheren und zuverlässigen
Betrieb gewährleistet. Der
LTC4125 stimmt seine Übertragungsfrequenz automatisch auf
die Resonanzfrequenz des LCNetzwerks ab. Diese „AutoResonant“ genannte Technologie ermöglicht es, über lose gekoppelte Spulen die maximale Leistung
von einer Niederspannungsquelle (3 bis 5,5 V) zu einem abgestimmten Empfänger wie dem
Drahtlosempfänger/AkkuladerIC LTC4120 zu übertragen. Als
drahtlose Energieempfänger
eignen sich auch der Shunt-Akkulader LTC4071 oder der MultiChemistry-Akkulader LT3652HV.
Der LTC4125 überprüft in regelmäßigen Abständen den Leistungsbedarf des Empfängers und
passt seine Übertragungsleistung automatisch an.
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Vergossene DC/DC Module, 20 bis 60 Watt
für DIN-Schienen oder Wandmontage.
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STROMVERSORGUNG // WIRKUNGSGRADBESTIMMUNG
Genaue Wirkungsgradmessung
liegt im Interesse des Anwenders
Stromversorgungen haben zunehmend höhere Wirkungsgrade. Doch
können wir uns auf Wirkungsgradangaben in den Datenblättern der
Hersteller verlassen? Wie kann man selber messen?
Bilder: PULS
MAXIMILIAN HÜLSEBUSCH *
„ bei AC-Messungen möglichst eine elektronische AC-Quelle verwenden,
„ EMV-Störungen vom Prüfling ausgehend
vermeiden und schließlich
„ Temperatur- und Zeiteinflüsse auf die
Messung beachten.
Der Wirkungsgrad ist eine Kennzahl, anhand der man verschiedene Netzgeräte gut
vergleichen kann. Was aber den Systementwickler oder Anwender von Stromversorgungen noch mehr interessiert, ist die Verlustwärme des Netzgerätes. Da diese Verluste
elektrisch nicht direkt gemessen werden
können, bleibt nur die Differenzbildung aus
Eingangs- und Ausgangsleistung.
Kleine Wirkungsgradänderung
hat großen Einfluss
Bild 1: Die Vorteile beim Messen mit einem Leisungsanalysator liegen in der hohen Grundgenauigkeit von
0,02%, dem korrekten Messen von Wirkleistung, der gleichzeitigen und damit synchronen Messung von
Eingang und Ausgang und der direkten Anzeige von Verlusten und Wirkungsgrad.
I
mmer mehr Anwender verstehen, dass
der Wirkungsgrad einer Stromversorgung
entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit hat. Er ist der Schlüssel (insbesondere bei konvektionsgekühlten Geräten) zu
einer einerseits kleinen und andererseits
zuverlässigen Stromversorgung. Ohne
Zwangsbelüftung ist die Wärmeabfuhr beschränkt.
Auch die anderen Komponenten im System profitieren von geringen Verlusten und
damit einer geringen Erwärmung. Deshalb
bemühen sich auch immer mehr Hersteller
von Stromversorgungen um einen hohen
Maximilian Hülsebusch
....arbeitet als Marketing Communication Specialist
bei PULS, München.
48
Wirkungsgrad. Mit diesem Artikel sollen Anwender in die Lage versetzt werden, selbst
den genauen Wirkungsgrad und damit die
Verluste einer Stromversorgung zu bestimmen, um sich nicht nur auf die oft optimistischen und knappen Datenblattangaben
verlassen zu müssen.
Bernhard Erdl (Gründer, Geschäftsführer
und Chef-Entwickler der PULS GmbH) ist die
genaue Wirkungsgradmessung ein besonderes Anliegen, weshalb er zu diesem Thema
folgende fünf Empfehlungen gibt:
„ Präzise Messgeräte verwenden: möglichst Leistungsanalysatoren oder hochgenaue Wattmeter nutzen,
„ auf die richtige Verkabelung beim Messaufbau und spannungsrichtiges Messen
achten,
Bei den heute möglichen hohen Wirkungsgradwerten von 95% (das entspricht einem
Verlust von 5%) führen allerdings kleine
Messfehler bei der Eingangs- und Ausgangsleistung zu großen Fehlern bei der Verlustberechnung: Wenn ein Messfehler von jeweils nur 0,5% vorliegt, in Summe also 1%,
dann ist die Verlustberechnung um 20%
falsch (Bild 2).
Wichtig ist auch, dass scheinbar geringe
Unterschiede im Wirkungsgrad einen großen
Unterschied bei den Verlusten bedeuten. Bei
modernen Stromversorgungen liegen die
Werte zwischen 92% und 95%. Hierbei kann
beim Anwender die Annahme entstehen,
dass ein oder zwei Prozent hin oder her keinen großen Unterschied machen. Das ist
jedoch ein Irrtum. Denn nicht der absolute
Wert des Wirkungsgrades sondern die Differenz zum Idealwert von 100% ist entscheidend.
Ein Beispiel bei gut vergleichbaren Netzgeräten mit 24 V/10 A am Ausgang: Das 2005
eingeführte PULS QS10 hat einen Wirkungsgrad von 93,5%. 10 Jahre später ist das PULS
CP10 mit einem Wirkungsgrad von 95,2%
verfügbar. Auf den ersten Blick scheinen
„nur“ 1,7 % Unterschied keine große Weiter-
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
STROMVERSORGUNG // WIRKUNGSGRADBESTIMMUNG
... scannen und
Short-Movie sehen
Bild 2: Einfluss von 1%
Messfehler auf die Veränderung der Verlustleistung bei steigendem
Wirkungsgrad.
entwicklung zu sein. Dennoch konnten die
Verluste beim CP10 (im Vergleich zum QS10)
um 27% gesenkt werden.
Das bedeutet, dass bei hohen Wirkungsgraden selbst kleine Anstiege in einer maßgeblichen Reduzierung der Verlustleistung
resultieren. Mit steigenden Wirkungsgraden
wird die Messgenauigkeit demnach immer
wichtiger, da sich sonst die Verlustleistung
nicht richtig ermitteln lässt.
Wirkungsgrad bestimmen
und dabei Fehler vermeiden
Wir sind beim Wirkungsgrad immer noch
nicht bei 100%. Manchmal sind wir über
100%, aber dann glauben wir’s nicht und
messen lieber nochmal nach. Aber gerade
weil wir so nah an der 100%-Marke dran
sind, wird es immer schwieriger genau zu
messen.
Absolute Präzision bei der Wirkungsgradmessung ist somit unabdingbar, um eine
genaue Aussage über die Verlustleistung
einer Stromversorgung zu treffen. Viele Fehler lassen sich durch eine gute Vorbereitung
und eine professionelle Messung jedoch vermeiden. Die häufigsten Fehlerquellen sind:
„ falsches Messprinzip durch ungeeignete
Messgeräte,
„ ungenaue Messgeräte,
„ fehlerhafter Messaufbau,
„ Vernachlässigung der Umgebungsbedingungen.
Zu diesem Thema gibt es von PULS ein
White Paper mit dem Titel „Accurate Efficiency Measurements“. Dieses wurde vom
Technischen Komitee der European Power
Supply Manufacturers Association (EPSMA),
und hier vor allem von den Mitgliedern PULS,
Artesyn Embedded Power und Efore, ausgearbeitet.
Es gibt eine Vielzahl von Messinstrumenten, die für die Ermittlung des Wirkungsgrads genutzt werden. Dennoch sind die
Messtoleranzen und die Fähigkeiten der
Messinstrumente, verschiedene Signale (AC
oder DC) zu messen, sehr unterschiedlich.
Multimeter: Für reine DC-Ein- und Ausgänge sind genaue Multimeter zur Spannungsund Strommessung durchaus geeignet. Die
Spannung kann mit hoher Präzision direkt
am Ein- und Ausgang der Stromversorgung
bestimmt werden. Viele Multimeter haben
auch eine eingebaute Strommessung, allerdings ist diese meist zu ungenau (Ungenauigkeit 1% oder mehr) oder sie hat keinen
ausreichenden Messbereich (meist auf 10 A
limitiert). Stattdessen sollen die Ströme über
hochpräzise Shunt-Widerstände mit 0,01%
Toleranz erfasst werden. Problematisch ist
die nicht synchrone Erfassung der Werte, die
bei schwankenden Verhältnissen zu Fehlern
führt.
Datenlogger sind für DC-Messungen noch
besser. Sie bestehen aus einer einzigen, meist
hochgenauen Messeinheit, die durch Multiplexen mehrfach verwendet wird. Im gleichen Messbereich kürzen sich die Fehler
sogar heraus und alle Werte können zeitnah
erfasst und mit einer Tabellenkalkulation
schnell ausgewertet werden.
AC-Eingangsleistungen können mit Multimetern oder Datenloggern jedoch nicht gemessen werden. Ein häufiger Fehler ist die
Annahme, dass es ausreichend ist, die Echteffektivwerte (RMS) von Strom und Spannung zu bestimmen und diese beiden Werte
miteinander zu multiplizieren, um die Eingangsleistung zu ermitteln. Durch diese Berechnung ermittelt man jedoch die Scheinleistung und nicht die Wirkleistung, die für
die Verluste entscheidend ist. Das Messen
von AC-Eingangsleistungen, selbst mit TrueRMS-Multimetern, resultiert daher in falschen Messungen und ist inakzeptabel.
Wattmeter: Wattmeter werden für die Messung von AC-Signalen genutzt und folgen
dem richtigen Prinzip. Die Momentanwerte
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
49
MISSION
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STROMVERSORGUNG // WIRKUNGSGRADBESTIMMUNG
von Strom und Spannung werden multipliziert und aus diesen Produkten wird der Mittelwert gebildet – das entspricht der physikalischen Definition von Leistung. Allerdings
haben die meisten einfachen Wattmeter eine
hohe Messungenauigkeit (um 1%). Zudem
können nicht konstante Ein- oder Ausgangsströme (AC-Eingang, variierende Ausgangslast) zu zusätzlichen Messfehlern führen.
Schwankende Werte sind somit schwer zu
interpretieren. Generell sollen für Wirkungsgradmessungen nur hochpräzise Wattmeter
verwendet werden.
Leistungsanalysator: PULS nutzt für die
Wirkungsgradbestimmung seiner Stromversorgungen Leistungsanalysatoren. (Bild 1)
Die Vorteile liegen in der hohen Grundgenauigkeit von 0,02%, dem korrekten Messen von
Wirkleistung, der gleichzeitigen und damit
synchronen Messung von Eingang und Ausgang und der direkten Anzeige von Verlusten
und Wirkungsgrad. Der Nachteil dieser Messmethode sind die hohen Anschaffungskosten. Dennoch ist der Leistungsanalysator das
Mittel der Wahl für die genaue Bestimmung
des Wirkungsgrads.
Fehler im Messaufbau
unbedingt vermeiden
Ein präziser und teurer Leistungsanalysator kann keine genauen Ergebnisse liefern,
wenn beim Messaufbau Fehler gemacht wurden. Worauf ist beim Arbeiten mit dem Leistungsanalysator zu achten?
Richtige Verkabelung: Alle Verluste, die
nicht vom Prüfling kommen, dürfen nicht
mitgemessen werden. Das ist der wichtigste
Grundsatz, wenn es um die richtige Verkabelung beim Messaufbau geht. Denn jede Leitung und jeder Kontaktwiderstand verursacht zusätzliche Verluste, die die Messergebnisse verfälschen können. Eine korrekte
Vierpolmessung (Kelvin-Messung) mit getrennten Leitungen für die Strom- und Spannungsmessung muss sein. (Bild 3)
Spannungsquelle: Für Schaltnetzteile mit
DC-Eingang sind einfache DC-Spannungsversorgungen ausreichend. Bei AC-Messungen ist es wichtig zu wissen, dass der Innenwiderstand der Spannungsquelle die Messung über die Kurvenform des Netzsinus‘
beeinflusst. Bei einem 240-W-Netzteil ohne
PFC wurde ein Unterschied von 0,4% zwischen einem weichen Netz aus einem TrennStelltrafo und einem harten Netz aus einer
elektronischen AC-Quelle gemessen. Diese
gibt die reproduzierbarsten Werte und ist
deshalb zu bevorzugen.
Lasten: Nicht nur die Spannungsquelle,
sondern auch die benutzte Last muss stabil
und reproduzierbar sein. Lasten aus Leis-
50
Bild 3: Eine korrekte Vierpolmessung (Kelvin-Messung) mit getrennten Leitungen für die Strom- und
Spannungsmessung ist beim Messen Pflicht.
tungswiderständen sind problematisch,
denn sie ziehen keinen konstanten Strom.
Elektronische Lasten stellen hingegen eine
definierte und reproduzierbare Belastung
des Prüflings dar und schwankende Übergangswiderstände ändern den Strom nicht.
EMV-Störungen: Nicht entstörte Stromversorgungen im Prototyp-Stadium können die
Messgeräte beeinflussen und/oder die Lasten
schwanken lassen. Man sollte den Messgeräten auch keine Signale zumuten, die mit
HF überlagert sind. Zusatzfilter, meistens
Induktivitäten in den Eingangsleitungen,
vermeiden dieses Problem. Man darf ihre
Verluste nur nicht in die Messung einfließen
lassen. Bei sauber funkentstörten Stromversorgungen sollte es keine Schwierigkeiten
geben.
Umgebungsbedingungen
berücksichtigen
Von den Umgebungsbedingungen ist die
Temperatur der entscheidende Faktor, denn
die Verluste sind temperaturabhängig. Dabei
ist die Temperatur der Bauteile einer Stromversorgung maßgeblich. Die Bauteiletemperatur ist die Summe von Umgebungstemperatur und Eigenerwärmung.
Temperatur: Die verschiedenen Bauelemente im Netzteil reagieren unterschiedlich
auf Temperaturen. In manchen Bauteilen
verringern sich die Verluste mit steigenden
Temperaturen, in anderen Komponenten
erhöhen sich diese wiederum. Einen starken
Einfluss haben die zur Begrenzung des Einschaltstromes verwendeten NTCs. Netzgeräte mit solchen Bauteilen haben mit dem
Einlaufen sowie bei höherer Umgebungstemperatur geringere Verluste (negativer Temperaturkoeffizient), wobei bei hohen Temperaturen die Verlustanstiege durch andere Komponenten wieder überwiegen (Bild 4; die
Bilder 4 bis 6 finden Sie im Online-Artikel
43691959). Geräte mit aktiver Einschaltstrombegrenzung zeigen ein stabileres Temperaturverhalten. Hier gibt es nur einen geringen
Verlustanstieg mit der Temperatur (Bild 5).
Bei allen Wirkungsgradmessungen sollten
die Einlaufzeit und Umgebungstemperatur
dokumentiert werden, damit alle Ergebnisse
nachvollziehbar bleiben.
Höhenlage & Luftdruck: Da über die Luft
gekühlt wird, hat der Luftdruck einen Einfluss auf die Eigenerwärmung. PULS hat
ausgerechnet, um wie viel sich die Bauteile
bei einer höheren Lage zusätzlich erwärmen:
um ca. +10 °C bei 2000 m Höhe ü. NN und um
ca. +20 °C bei 4000 m. Die Luftfeuchte spielt
nur eine ganz geringe Rolle und kann vernachlässigt werden.
Exemplarstreuungen: Jedes Bauteil hat
Toleranzen und deshalb ist auch nicht jedes
Gerät gleich. Um aber echte Fehler zu finden,
misst PULS die Verluste auch in der Produktion sehr genau – wenn auch nicht ganz so
genau wie im Labor. Bei einem Fertigungslos
von 200 Geräten des Typs CP10 wurde ein
Mittelwert von 95,27% mit einer Abweichung
von ±0,15% gemessen (Bild 6).
Wirkungsgradangaben einfordern: Einfacher als den entsprechenden Wirkungsgrad
selber zu bestimmen ist es, die Spezifikationen eines Stromversorgungsherstellers zu
akzeptieren, falls er genau gemessen hat.
Leider sind in den Datenblättern oft nur pauschale Angaben vermerkt wie „Up to x% Efficiency“. Das ist eine Bestcase-Aussage und
bedeutet eigentlich nur, dass dieser Wert
nicht überschritten wird. Die Verluste bei
verschiedenen Netzspannungen oder Belastungen werden z.B. nicht erwähnt. Deshalb
wird jeder, der es genau wissen will, eine
eigene Messung nicht vermeiden können.
Alternativ ist ein Hersteller zu bevorzugen,
der exakte Angaben liefert. Aber auch dann
kann eine eigene Nachmessung beruhigend
sein.
// KU
PULS
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
AKTUELLE PRODUKTE // STROMVERSORGUNG
AC/DC-WANDLER
400 Watt mit PFC im flachen Gehäuse
Der VIA PFM, ein isolierender
AC/DC-Wandler mit PFC, ist eine
sehr kompakte, isolierende AC/
DC-Stromversorgungslösung von
Vicor mit weniger als 9,5 mm
Dicke, die bei HY-LINE Power
Components lieferbar ist. Das
Modul nutzt aktive Power Factor
Correction (PFC) und arbeitet
über einen weiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis
264 VAC. Es hat einen geregelten
und isolierten 24- oder 48-VDCAusgang mit einer Leistung von
bis zu 400 W und ist gegen Unterspannung, Überspannung,
Überstrom und Kurzschluss geschützt. Gleichrichtung erfolgt
extern. Der hohe Wirkungsgrad
des Moduls von 92% beim 24-VAusgang und das thermisch effektive VIA-Gehäuse erleichtern
das Wärmemanagement in der
Stromversorgung. Der Betrieb ist
von –40 bis 100 °C möglich. Das
Gehäuse mit den Abmessungen
124,8 mm x 35,5 mm x 9,3 mm
kann sowohl auf Chassis als
auch direkt auf die Platine montiert werden.
HY-LINE Power
NETZTEILE
Versorgen industrielle Anwendungen der Zukunft
Der schwedische Netzteilhersteller Powerbox hat die StandardAC/DC-Netzteilfamilie „Industrial Line“ vorgestellt, die mit über
200 Produkten eine große Auswahl an Leistungsklassen, Ausgangsspannungen, mechanischen Formaten und Optionen
für die optimale Kühlung bietet.
Dazu gehören Netzteile mit Einfach-, Zweifach- und Mehrfachausgängen in einem Leistungsspektrum von 150 bis 650 W. Die
mechanischen Formate reichen
von Open-Frame, über U-Profil
bis hin zu Varianten im geschlos-
senen Gehäuse, inklusive einer
Version, die die volle Leistung
bei natürlicher Konvektion im
Betriebstemperaturbereich von
–20 bis 50 °C bietet. Die Wandler
mit Einfachausgang basieren auf
einer LLC-Halbbrücken-Topologie, in den meisten Versionen
ergänzt mit einer synchronen
Gleichrichtung, bei der die Dioden des Ausgangsgleichrichters
durch MOSFETs ersetzt werden.
Mit Hilfe dieser Technologie sind
Netzteileigenschaften wie ein
Wirkungsgrad bis 93%, hohe
Energiedichte, hoher Peak-Aus-
gangsstrom sowie ein überragendes EMV-Verhalten möglich,
das die EN55022B erfüllt und
sogar übertrifft. Weitere Eigenschaften sind ein Weitbereichseingang, eine niedrige LeerlaufVerlustleistung, sowie ein hoher
MTBF. Alle Produkte verfügen
über PFC und erfüllen die
EN61000-3-2 Klasse D. Die niedrige Leerlauf-Verlustleistung ermöglicht in Verbindung mit dem
hohen Wirkungsgrad ein umweltfreundliches Energieprofil.
Powerbox
1500-WATT-NETZTEIL
Mit Leistungsfaktorkorrektur 0,99 bei voller Last
Die programmierbare AC/DCStromversorgung Genesys 100-15
im 1U-Rack liefert bis zu 1500 W.
Die Ausgangsspannung ist bis
100 V mit einer Genauigkeit von
0,01% bzw. 2 mV einstellbar. Die
Stromversorgung wird von
Rosenkranz Elektronik angeboten und bietet ein hohe Leistungsdichte, geringen Ripple
von 8 mVeff und Schnittstellen
wie LXI und USB. Der Eingangsspannungsbereich reicht von 85
bis 265 VAC (einphasig, 50/60 Hz).
Das Netzteil entspricht den europäischen EMV-Anforderungen
und verfügt über aktive Leistungsfaktorkorrektur von 0,99
bei voller Last, was einen sicheren Betrieb in schwieriger ACUmgebung ermöglicht. Die
Frontplatte ermöglicht zuverläs-
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
siges Einstellen durch Encoder
für Grob- und Feineinstellung (6
oder 30 Umdrehungen) und
4-Digit-LED-Display für Spannung und Strom. Einstellbare
OVP, UVL und Strom-Foldback
bieten hohe Flexibilität. Eingestellte Werte erscheinen auch bei
abgeschaltetem Ausgang auf
dem Display. Die FoldbackStrombegrenzung ermöglicht
das Abschalten des Ausgangs,
falls dies aus Sicherheitsgründen erforderlich ist.
Rosenkranz-Elektronik
51
STROMVERSORGUNG // SUPERKONDENSATOREN
Leistungssprung
bei Super-Capdurch Graphene
Bild: Blume, © arsdigital/Fotolia.com
Kondensatoren auf Basis von Graphenen haben erstaunliche Fähigkeiten. Sie
erreichen hohe Spannungen, große Kapazitäten, geringe Leckströme und niedrige
ESR-Werte bei kleiner Bauform. Und Graphene-Kondensatoren sind selbstheilend.
Die typische Wabenstruktur von Graphen: Mit dem Nanomaterial lassen sich besonders leistungsfähige Superkondensatoren realisieren
S
uperkondensatoren bieten bezüglich
Schnellladefähigkeit enorme Potenziale für den Einsatz als Pufferspeicher
vor allem in Anwendungen der Elektromobilität oder in Systemen für die Rückgewinnung von Energie in Industrieanlagen. Eine
Erhöhung der Energiedichte ist allerdings für
viele Anwendungen unabdingbar.
Graphen-basierte Elektroden für Superkondensatoren erreichen im Labor bereits
eine um 75% höhere Speicherfähigkeit, parallel dazu werden durch das Fraunhofer IPA
bereits Anwendungen entwickelt, die in Zukunft Energieeinsparungen für Industrieunternehmen ermöglichen werden.
Den Einsatz von Graphenen und Superkondensatoren erklärte Dr. Carsten Glanz,
Gruppenleiter Applikation Mulitfunktionaler
Schichten, Fraunhofer IPA Stuttgart, in einem Vortrag auf dem „Praxisforum Passive
Bauelemente“, das am 19. und 20. April 2016
in Würzburg stattfand. Mehr Informationen
dazu finden Sie auf der Internet-Seite
www.praxisforum-passive-bauelemente.de.
52
Graphene-Semiconductor-Kondensatoren
sind eine neue Kondensatoren-Serie die als
Elektrolyt eine Mischung aus Graphene und
Polymerverbindungen nutzen. Die selbstheilenden Kondensatoren besitzen eine nanokristalline Struktur. Diese Struktur dient
dazu das kleine Bauformen produziert werden können.
Diese Art von Kondensatoren sind für Anwendungen in den Bereichen Ladegeräte,
Spannungsversorgung, Automobilelektronik
sowie Computer Elektronik. Unter anderem
sind diese Bauteile für einen Temperaturbereich bis 105 °C geeignet. Erhöhte Temperaturbereiche von 125 bis 130 °C sind in der
Entwicklung, langfristig werden 150 °C für
möglich gehalten.
Ein besonders wichtiger Aspekt für sicherheitsrelevante Anwendungen ist, dass im
Fehlerfall ein normaler Kondensator zu einem Kurzschluss führt. Bei den GraphenenSemiconductor-Kondensatoren führt dies zu
einem so genannten „open mode“, das bedeutet der Durchgangswiderstand steigt ins
Unendliche. Die besonderen Merkmale sind
hohe Spannung, große Kapazität, geringer
Leckstrom, geringer ESR bei kleiner Bauform
und selbstheilend.
Zum Thema Graphen-Kondensatoren in
der Serienanwendung hielt Kondensatorexperte Wilhelm Haßenpflug, Geschäftsführer
Blume Elektronik, einen Vortrag auf dem
„Praxisforum Passive Bauelemente“ am 19.
und 20. April 2016 in Würzburg. Diese Veranstaltung lieferte einen Überblick über die
wesentlichen Unterschiede und Vor- und
Nachteile der verschiedenen Kondensatorentechnologien.
Die Teilnehmer erhielten darüber hinaus
Einblicke in die künftigen Entwicklungen
und Einsatzgebiete von Kondensatoren. Was
sind die besonderen Herausforderungen der
einzelnen Technologien? Mehr Informationen dazu finden Sie unter www.praxisforumpassive-bauelemente.de. Als Gruppenleiter
der Gruppe „Applikation multifunktionaler
Schichten“ am Fraunhofer IPA in Stuttgart
beschäftigt sich Dr. Carsten Glanz mit der
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
Weiterentwicklung von Beschichtungsverfahren für neue Materialien. Dies gilt besonders für die Entwicklung und Herstellung
gedruckter elektronischer Anwendungen für
Energiespeicher, transparenter Elektroden
sowie Heizschichten.
Hierbei werden sowohl klassische Druckverfahren wie Siebdruck, Tampondruck und
Tiefdruck als auch Beschichtungsverfahren
wie Rakeln, Sprühen und Tauchziehen eingesetzt. Diese eröffnen, kombiniert mit innovativen nanoskaligen Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, GraphenNanoplatelets, Silbernanodrähten und leitfähigen Polymeren, innovative neue
Anwendungsgebiete und Produkte.
Wilhelm Haßenpflug übernahm 2003 die
Firma Blume Elektronik, nachdem er bereits
30 Jahre im Vertrieb gearbeitet hatte. Nach
dem Studium der Nachrichtentechnik fungierte er bei verschiedenen japanischen Herstellern wie Alps und Sharp sowie bei der
Firma Bosch in leitender Position. Heute ist
er eine der anerkanntesten Kondensatorexperten in Deutschland mit sehr großer Marktkenntnis.
Graphen (englisch graphene) ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur. In
dieser Struktur ist jedes Kohlenstoffatom im
Winkel von 120° von drei weiteren Kohlenstoffatomen umgeben, sodass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Da
Kohlenstoff vierwertig ist, müssen dabei je
„Wabe“ zwei Doppelbindungen auftreten,
die jedoch nicht lokalisiert sind. Es handelt
sich um eine Verkettung von Benzolringen,
wie sie in aromatischen Verbindungen oft
auftritt. Obwohl ein einzelner Benzolring in
der Darstellungsweise der Valenzstrichformeln drei Doppelbindungen hat, haben zusammenhängende Benzolringe in dieser
Darstellungsweise rein formal nur zwei Doppelbindungen pro Ring. Deshalb lässt sich
die Struktur besser beschreiben, indem man
die delokalisierten Bindungen als großen
Kreis im Benzolring darstellt.
Die Bindungsverhältnisse im Graphen sind
in der Graphenstruktur beschrieben. Graphen lässt sich als polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff beschreiben. Am
„Rande“ des Wabengitters müssen andere
Atomgruppen angedockt sein, die aber – je
nach dessen Größe – die Eigenschaften des
Graphens kaum verändern.
Mehr Wissenswertes über passive Bauelemente und das „Praxisforum Passive Bauelemente“ finden Sie unter www.praxisforumpassive-bauelemente.de.
// JW
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STROMVERSORGUNG // NETZTEILE
Wie Sie schnell und sicher zum
optimalen Netzteil kommen
Netzteile arbeiten unauffällig, sind aber unverzichtbar. Bei der Auswahl
eines Netzteils für Ihre Entwicklung sollten Sie auf einen geeigneten
Lieferanten setzen. Wir verraten Ihnen, worauf es dabei ankommt.
N
etzteile arbeiten im Verborgenen –
und sind doch entscheidend für die
Funktion von Endgeräten. Trotzdem
stehen sie bei den Herstellern elektronischer
Produkte nicht oder selten im Fokus der Entwicklungen. Der Grund dafür ist nachvollziehbar: Die Unternehmen konzentrieren
ihre Ressourcen auf ihre Kernkompetenzen
– schließlich differenzieren sie sich darüber
von ihren Wettbewerbern.
Andererseits können auch Eigenschaften
wie hohe Standfestigkeit und langfristige,
stabile Funktion unter schwierigen Bedingungen zum guten Ansehen von Produkten
– und letztlich Herstellern beitragen. Maßgeblichen Anteil daran hat eine genau zu den
jeweiligen Produktanforderungen passende
Stromversorgung. So kann ein Netzteil, das
zuverlässig eine gleichmäßige Versorgungsspannung mit minimaler Restwelligkeit liefert, das Design nachfolgender Schaltungskomponenten erheblich vereinfachen. Richtig ausgewählt, bildet der Strom- und Spannungslieferant das Fundament, auf dem
Entwickler guten Gewissens und erfolgreich
aufsetzen können. Daher sollten Hersteller
elektronischer Güter sich frühzeitig Gedanken über diese so wichtige Systemkomponente machen, einen detaillierten Anforderungskatalog erstellen und einen geeigneten
Netzteillieferanten finden.
Häufig müssen Netzteile ganz spezifische
Anforderungen erfüllen: Mal ist eine tadellose Funktion in rauen Industrieumgebungen gefordert, mal sind es besonders enge
Toleranzgrenzen für die Restwelligkeit in der
Medizintechnik, mal sind spezielle Baugrößen gefragt. Je nachdem, welche Eigenschaften erforderlich sind, kommen Standardnetzteile für den geplanten Einsatz nicht in Frage.
* Hermann Püthe
... ist General Manager und Geschäftsführender Gesellschafter bei
der inpotron Schaltnetzteile GmbH in
Hilzingen.
54
Bilder: inpotron
HERMANN PÜTHE *
Die eigene Prüftechnik im Haus: Aussagekräftige Prüfberichte geben dem Kunden die Gewissheit, dass die
Netzteile seine Vorgaben tatsächlich erfüllen.
Spätestens dann sind Anbieter gefragt, die
Netzteile genau nach den Kundenanforderungen entwickeln und fertigen.
Wie sie einen geeigneten
Netzteil-Lieferanten finden
Was sich auf den ersten Blick als leichtes
Unterfangen präsentiert, zeigt sich bei genauem Hinsehen als komplexes Projekt.
Denn es reicht nicht, lediglich mehrere Anbieter zu finden und ihr Portfolio zu vergleichen. Vielmehr müssen ganz grundlegende
Fragen geklärt werden – zum Beispiel nach
ISO-Zertifizierungen, Qualitätssicherungsund Reporting-Prozessen, Beständigkeit,
Erfahrung, Beratungskompetenz, Transparenz, Zulassungen, Absicherungen und vielen weiteren Kriterien. In der Regel sind Hersteller und Lieferant an einer langfristigen
Partnerschaft interessiert. Grundvoraussetzung dafür ist, dass beide Seiten mit offenen
Karten spielen – nur so kann Vertrauen entstehen. Gerade bei kundenspezifischen Produkten spielt die Kommunikation zwischen
Hersteller und Netzteilproduzent daher eine
entscheidende Rolle. Bereits im Vorfeld lassen sich im Gespräch Systemkosten sparen,
wenn der Netzteilspezialist gut erreichbar ist
und eine fundierte Beratung geben kann.
Hier zeigt sich zudem, ob dieser über eine
hohe Kompetenz im Bereich der Schaltnetzteile verfügt.
Ein weiterer Beleg für sein Knowhow ist
die Qualität seiner Angebote: Diese sollten
detailliert und technisch korrekt sein und
sämtliche Kosten übersichtlich aufführen,
zum Beispiel für die Entwicklung, für Werkzeuge, Zulassungen, Nullserien usw. Eine
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
STROMVERSORGUNG // NETZTEILE
große Produktvielfalt mit aktuellen Innovationen, hohe Fertigungsstückzahlen, namhafte Referenzkunden sowie eine erfolgreiche Unternehmenshistorie sprechen ebenfalls für einen Lieferanten.
Durch Zulassungen und Zertifizierungen
wie REACh (Registration, Evaluation and
Authorisation of Chemicals) oder RoHS 2
(Restriction of Hazardous Substances) untermauert ein Netzteilhersteller seinen eigenen,
hohen Qualitätsanspruch. Er sollte durchgehend DIN EN ISO 9001/14001 zertifiziert sein
und seine Prozesse mit einem übergreifenden Qualitätsmanagementsystem überwachen. Dann können Kunden von durchdachten, aufeinander abgestimmten und dokumentierten Abläufen im Unternehmen ausgehen. Nach Möglichkeit sollte die Fertigung
durch unabhängige dritte Parteien überwacht werden, zum Beispiel UL, CSA, VDE
oder TÜV.
Produktionssicherheit
langfristig planen
Je nach geplantem Einsatz und Vertriebsgebiet des Endproduktes müssen auch die
Netzteile bestimmte Zulassungen wie MIL,
German Lloyd, Bahn oder CCC haben. Die
dafür wichtigen Normen und Richtlinien
muss der Lieferant kennen und bereits in den
Planungs- und Entwicklungsprozess einbeziehen. Hier ist es von Vorteil, wenn der Anbieter bereits Produkte für die Branche vorweisen kann, auf die der Auftraggeber mit
seinen Endprodukten zielt – beispielsweise
für die Medizin-, Mess- oder Informationstechnik.
Eine weitgehend automatisierte Fertigung,
redundante Produktionsmittel, leistungsfähige Prüfprozesse, transparente Lagerhaltung und das Befolgen von IPC-Richtlinien
im gesamten Produktionsprozess zeichnen
gute Hersteller ebenfalls aus. Aussagekräftige Prüfberichte geben dem Kunden schließlich die Gewissheit, dass die Netzteile seine
Vorgaben tatsächlich erfüllen.
Blick in die Fertigung: Redundante Produktionsmittel und das Befolgen von IPC-Richtlinien im
gesamten Produktionsprozess zeichnen gute
Hersteller aus.
Nur ein erfolgreiches Unternehmen kann
ausreichend investieren und sich auf Zukunftsperspektiven ausrichten. Daher lohnt
ein Blick darauf, wie sich ein Netzteilhersteller in den vergangenen Jahren im Vergleich
zum Wettbewerb entwickelt hat. Ist er solvent
und konnte er mit hoher Innovationskraft
punkten? Nicht zu unterschätzen ist die Bedeutung seiner strategischen Ausrichtung.
Denn die entscheidet darüber, ob der PowerSupply-Anbieter als Partner und Problemlöser auch langfristig zum eigenen Unternehmen passt.
Viele elektronische Produkte, besonders
im professionellen industriellen oder medizinischen Bereich, sind zehn Jahre und mehr
im Einsatz. In solchen langen Zeiträumen
können auch hochwertige Strom- und Spannungslieferanten ausfallen. Ist der ursprüngliche Hersteller insolvent oder kann das
kundenspezifisch entwickelte Produkt dauerhaft nicht mehr liefern, hat der betroffene
Kunde ein Problem. Dafür gilt es rechtzeitig
Vorkehrungen zu treffen. Zum Beispiel durch
einen Vertrag zwischen Netzteilherstellern
und Kunde, der dem Kunden ein Notfertigungsrecht einräumt.
Zu guter Letzt sollten Unternehmen bei der
Auswahl eines Netzteillieferanten darauf
achten, dass dieser eine international gültige, erweiterte Produkthaftungsversicherung
vorweisen kann, die mit einer hohen Deckungssumme ausgestattet ist. Denn Stromversorgungen sind sicherheitsrelevante und
funktionsentscheidende Produkte, die oftmals in hohen Stückzahlen gefertigt werden.
Ein Serienfehler kann z.B. teure Rückrufaktionen nach sich ziehen, die das eigene
Unternehmen gefährden können.
Individuelle Lösungen haben
Vorteile – und sind bezahlbar
Kundenspezifisch gefertigte Produkte gelten als teuer. Viele Hersteller von Elektronikprodukten greifen daher in Punkto Stromversorgung lieber zur Standardware. Diese erfüllt jedoch nur selten alle für einen sicheren
Betrieb nötigen Voraussetzungen. Mögliche
Folge können gehäufte Fehlfunktionen und
Ausfälle sein. Davor können sich Unternehmen schützen. Bei richtiger Konzeption rechnet sich eine individuelle Netzteillösung, die
genau auf die Spezifikationen des Endproduktes abgestimmt ist, oft schon ab einem
Volumen von ca. 1000 Stück. Zum konkurrenzfähigen Preis gibt es viele Vorteile gratis
hinzu – etwa hohe Zuverlässigkeit und Einhaltung der Leistungswerte auch unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen. // TK
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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
55
S C H U K AT
AKTUELLE PRODUKTE // STROMVERSORGUNG
BUNDLES
Netzteil und Mainboards aus einer Hand
Bicker Elektronik bietet mit seinem Power+Board-Programm
einen besonderen Service für
Systementwickler von IPC- und
Embedded-Systemen. Im Rahmen umfangreicher Tests im
hauseigenen Labor werden
hochwertige Industrie- und Medizin-Netzteile in Verbindung
mit ausgewählten Mainboards
von Fujitsu, ASRock, Avalue und
Perfectron auf „Herz und Nieren“
geprüft und so sichergestellt,
dass diese Kombinationen perfekt zusammen passen. Aktuell
sind Boards in elf verschiedenen
Formfaktoren erhältlich. Mit den
beiden neuen Prozessor-Plattformen Intel Braswell und Intel
Skylake stehen den Systementwicklern nun besonders leistungsfähige und energiesparende Power+Board-Bundles zur
Verfügung, was sehr viel Zeit und
Geld für die ansonsten notwendige Vorauswahl und Qualifizierung entsprechender Systemkomponenten spart. Die Serviceleistungen im Rahmen des
Power+Board-Programmes umfassen neben den dokumentierten Tests die persönliche Vor-OrtBeratung, Produktpräsentation,
Design-In-Unterstützung, maßgeschneiderte Systemlösungen
für Industrie und Medizintechnik, Schulungen und den kompetenten technischen Support.
Zusätzlich bietet Bicker Elektro-
nik passende Prozessoren, Speicher, Erweiterungskarten und
Massenspeicher in IndustrieQualität an. Somit können alle
Kernkomponenten bequem aus
einer Hand bezogen werden. Die
Firma Bicker Elektronik gewährt
eine Garantie von 3 Jahren
auf Ihre langzeitverfügbaren
Power+Board-Bundles. Insbesondere Applikationen mit einer
langen Laufzeit profitieren so
von einem optimalen Investitionsschutz.
Bicker Elektronik
NETZTEILE
Hohe Leistung auf kleiner Grundfläche
Die hocheffizienten Miniaturnetzteile ECP130 von XP Power
(Vertrieb MEV) haben Sicherheitszulassungen für Medizinund IT- Anwendungen. Die Geräte liefern die volle Ausgangsleistung von 130 W mit nur 10 CFM
forcierter Kühlung und noch
100 W bei Konvektionskühlung.
Verfügbar sind sieben Versionen
mit Singleausgangsspannungen
von 12, 15, 18, 24, 28, 36 und
48 VDC. Die Netzteile haben einen
Eingangsspannungsbereich von
85 bis 264 VAC und verfügen über
Eingangssicherungen. Die neue
Serie hat sehr kompakte Maße
von nur 50,8 mm x 76,2 mm mit
einer Bauhöhe von 28 mm. Dadurch reduziert sich die benötigte Grundfläche gegenüber einem
Standardgerät mit 2“ x 4” um
25%. Die Leerlaufleistungsaufnahme beträgt <0,5 W und die
Leistungsdichte 19,7 W/Zoll3 bei
einem typischen Wirkungsgrad
von 95%. Mit diesen Features
sind sie sowohl in Medizin- und
IT-Applikationen und auch in
allgemeinen Industrieanwendungen einsetzbar. Die Geräte
sind nach der IT-Norm 60950-1
und der 3. Edition der IEC606011 sowie ANSI/AMMI ES60601-1
für Medizinanwendungen zerti-
fiziert. Sie verfügen über niedrige
Ableitströme und bieten zwei
MOPP zwischen Eingang und
Ausgang sowie einem MOOP zwischen Ausgang und Schutzleiter.
Die Miniatur-Netzteile ECP130
arbeiten in einem weiten Temperaturbereich von –40 bis 70 °C,
ohne Derating bis 50 °C, und erfüllen die Anforderungen der
Grenzkurve B für leitungsgebundene und Grenzkurve A für abgestrahlte EMV nach EN55011 und
EN55022, wodurch keine weiteren externen EMV Maßnahmen
erforderlich sind. Die Geräte der
Serie ECP130 sind von der MEV
erhältlich und haben 3 Jahre Garantie.
MEV
AKTUELLE PRODUKTE // STROMVERSORGUNG
BET
INDUSTRIAL POWER
NETZTEILE
Erfüllen höchste Effizienz-Anforderungen
Die 650-W-Netzteile der Serie
D1U54P-650-12-HBxC von Murata
Power Solutions haben im 1UIndustriestandard-Format die
Maße 54,5 mm x 40 mm, allerdings bei einer Länge von nur
228,6 mm, während die übrigen
Netzteile dieser Serie 304,8 mm
lang sind. Mit einer Leistungsdichte von 21,4 W pro Kubikzoll
übertrifft diese Stromversorgung
die Effizienz-Anforderungen gemäß 80 PLUS Platinum. Neben
einem Primärausgang mit 12 VDC
bietet das Netzteil einen Standby-Ausgang mit 12 VDC und 2 A.
Die hot-plug-fähigen Netzteile
eignen sich für N+1-RedundanzKonfigurationen und es lassen
sich bis zu acht Einheiten parallel schalten. Die Netzteile haben eine I2C-konforme PMBusSchnittstelle. Die für Wechselspannung vorgesehene Version
D1U54P-W-650 hat einen Universaleingang für Spannungen von
90 bis 264 VAC. Die alternativ erhältliche Version D1U54-D-650
mit Gleichspannungs-Eingang
hat die gleichen Maße. Die für
dezentrale StromversorgungsArchitekturen vorgesehene Serie
DoE Level VI
NEU!
D1U54P-x-650 eignet sich ideal
für den Einsatz in NetzwerkEquipment sowie in Server- und
Massenspeichersystemen.
Murata Power Solutions
BET-0600 | BET-0900
MULTI-POWER-KARTE
Ein Produkt mit 1000 Möglichkeiten
Die Multi-Power Karte MPK von
MTM Power ist eine 19"-Europakarte mit bis zu sechs galvanisch
getrennten Ausgängen in 6 oder
8 TE. Sie ermöglicht bis 100 W
eine einfache Bereitstellung fast
jeder gewünschten Ausgangsspannungskonfiguration. Wie in
einem Baukasten lassen sich mit
den Basiskomponenten Frontplatte, Leiterkarte und H15Steckverbinder sowie den vakuumvergossenen Modulen der
PMA-, PMAS-, PMN- und PMGSerien die 19"-Stromversorgungen individuell zusammenstel-
len. Auf Wunsch kann auf der
Frontplatte für jeden Ausgang
eine separate LED-Anzeige vorgesehen werden. Die Kombinationsmöglichkeiten bestehen zwischen allen Modulen mit gleicher Eingangsspannung. Da bei
den Stromversorgungsmodulen
selbst kundenspezifische Ausführungen über gleiche Abmessungen und Anschlüsse verfügen, lassen sich auch Sonderausführungen mit Standardmodulen kombinieren.
�
�
�
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Energieeffizienz-Level VI
Hohe Zuverlässigkeit (MTBF)
Temperaturbereich 0…+60°C
EN/UL60950-1-Zulassung
3 Jahre Garantie
Bicker Elektronik GmbH
www.bicker.de
A
Group MeMber
MTM
IP64-IP67
LED Netzteile
OPEN-FRAME-NETZTEILE
30, 60 und 80 W für ITE & Medical
Günter Power Supplies bietet
nun die Netzteile SNP-HF3
(30 W), SNP-HF6 (60 W), SNPHF8 (80 W) in Open-Frame-Bauform an. Mit Ausgangsspannungen zwischen 12 und 48 V,
Schutzklasse I/II und einer
Baugröße von nur 1,57" x 2,76" x
0,93" (30 W), 2" x 3,17" x 0,95"
(60 W), 2" x 4" x 1,12" (80 W) erhält der Anwender ein Gerät mit
hervorragenden Eigenschaften
zu einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis. Leistungsspitzen von 33,3% bis 62,5% der Nominalleistung stehen 5 s lang zur
Verfügung. Die Geräte arbeiten
bis 30, 60, und 80 W mit Konvektionskühlung, 40, 72 und 100 W
werden mit Lüfter erreicht. Die
Stromversorgung wird vielen Anforderungen gerecht, z.B. einem
Betriebstemperaturbereich von
–40 bis 50 °C mit Derating bis
70 °C, Leerlaufleistung <0,5 W,
Wirkungsgrad bis 89% und einer
Betriebshöhe bis 5000 m. Die
SNP-HF-Serie ist nach EN60601
3rd-Edition und EN60950 2ndEdition zugelassen.
DIN
10-960 W
Hutschienennetzteile
75-10.000 W
Günter Power Supplies
PFC
Schaltnetzteile
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
57
www.emtron.de
AKTUELLE PRODUKTE // STROMVERSORGUNG
NETZUMSCHALTGERÄTE
Für redundante Stromversorgung im Rechenzentrum
Modelle ATS 16 und ATS 30 von
Eaton sind zwei neue Automatic
Transfer Switches (ATS) für die
redundante Stromversorgung
von IT- und Netzwerkinstallationen. Die Netzumschaltgeräte
ermöglichen die Speisung von
IT-Equipment mit Einzelnetzteil
über zwei unabhängige Stromquellen und schaffen dadurch
eine zusätzliche Redundanzebene. Fällt eine der beiden Stromquellen aus, schaltet der Automatic Transfer Switch unterbrechungsfrei auf die verbleibende
Zuleitung um. Die Stromversor-
gung bleibt somit auch bei Ausfall einer Stromquelle erhalten.
Die Stromzufuhr kann über A/BEinspeisung mit zwei unabhängigen Netzzugängen erfolgen
oder alternativ über eine Kombination von Stromnetz und USV-
System. Eine N+1-Redundanz mit
zwei USV-Anlagen lässt sich
ebenfalls mit Hilfe der Eaton Automatic Transfer Switches realisieren. IT-Leiter und Rechenzentrumsbetreiber können so die
Verfügbarkeit ihrer IT-Umgebung
flexibel und kostengünstig erhöhen, ohne dass in den kritischen Strompfad eingegriffen
werden muss. Die Eaton Netzumschaltgeräte ATS 16 und ATS 30
bieten eine hohe Leistungsdichte und belegen nur eine Höheneinheit im Rack. Der ATS 16 ist
auf 16 A ausgelegt und bietet
zwei IEC C20-Anschlüsse für den
Stromeingang sowie acht IEC
C13- und eine IEC C19-Buchse für
den Anschluss von Verbrauchern. Das Modell verfügt standardmäßig über ein LCD-Display
für die grundlegende Konfiguration und ist optional mit Webinterface und SNMP-Modul (Netpack) verfügbar. Der ATS 30 ist
für Lasten von bis zu 30 A ausgelegt und verwendet fest verdrahtete Anschlüsse für Ein- und
Ausgang.
Eaton
DC/DC-WANDLER
Hochspannungsreihe jetzt auch mit 3,3, 15 und 28 V
Die TDK-Lambda hat die Hochspannungs-DC/DC-Wandler der
Reihe PH-A280 um Modelle erweitert, die aus 200 bis 425 VDC
Eingangsspannung 3,3, 15 oder
28 V Ausgangsspannung liefern
und sich damit u.a. für Anwendungen mit 380-V-DC-Bus eignen, etwa in Rechenzentren, in
der Telekommunikation oder im
Bereich erneuerbare Energien.
Die neuen Module liefern wahlweise 3,3 V bis 20 A, 15 V bis 10 A
oder 28 V bis 5,4 A und erweiten
damit die PH-A280-Reihe, bestehend aus Modellen mit 5, 12, 24
oder 48 V und einer Ausgangsleistung zwischen 50 und 150 W.
Die Ausgangsspannung lässt
sich um –20% bis +10% justieren
(–10% bis +20% bei den 3,3-VModellen), sodass sich auch spezielle Spannungsanforderungen
3-V-ULTRAKONDENSATOR
3000 F und mit DuraBlue-Technik
Der Kondensator mit einer Kapazität von 3000 F und und der
Stoß- und Schwingungstechnik
DuraBlue erweitert die bestehende Baureihe an Energiespeicherlösungen für das Transportwe-
58
sen, den Windenergiesektor und
Stromnetze. Die Stoß- und
Schwingungstechnik DuraBlue
sorgt für eine dreimal höhere Vibrationsbeständigkeit und eine
viermal höhere Stoßfestigkeit.
Gegenüber Maxwells 2,7-V-Ultrakondensator mit einer Nennkapazität von 3000 F bietet der
neue 3-V-Ultrakondensator mit
seiner den Industriestandards
entsprechenden zylindrischen
60-mm-Ausführung 31% mehr
Leistung.
Maxwell
erfüllen lassen. Dank des Wirkungsgrads von bis zu 90% sind
die Module kompakt und kommen mit dem Quarter-Brick-Format (37,2 mm x 12,7 mm x
58,3 mm) aus. Sie arbeiten bei
Baseplate-Temperaturen zwischen –40 und 100 °C, können
auch per Wärmeleitung (Konduktion) gekühlt werden und
eignen sich dadurch auch für
versiegelte Gehäuse im Außenbereich oder für wassergekühlte
Anwendungen. Fern-Ein/Aus,
Remote-Sense-Anschlüsse (um
einen Spannungsabfall über den
Ausgangsleitungen auszugleichen) sowie Überstrom- und
Überspannungsschutz gehören
ebenso zur Standardausstattung
wie eine fünfjährige Garantie.
Die Module sind vollisoliert, weisen eine Isolationsspannung von
3 kV zwischen Ein- und Ausgang
auf, haben Sicherheitszulassungen gemäß IEC/EN 60950-1 und
UL/CSA 60950-1 und tragen das
CE-Zeichen entsprechend der
Niederspannungsrichtlinie und
der RoHS2-Richtlinie.
TDK-Lambda
NETZTEILE
Erfüllen neueste Umweltrichtlinien
Mit drei neuen Netzteilen von
Mean Well erweitert Emtron die
Produktreihe GST. Die Modelle
GST160A, GST220A und GST
280A liefern eine Nennleistung
von 160, 220 bzw. 280 W. Wie die
gesamte Typfamilie GST wurden
auch die neuen Modelle nach
den Vorgaben der neuesten
Effizienzstandards (EISA2007/
DoE Level VI) entwickelt. Die
Leerlauf-Leistungsaufnahme beträgt je nach Modell <0,15 bis
0,5 W. Damit erfüllen sie bereits
die ab Februar 2016 in den
USA geforderten Level VI der
DoE-Effizienzrichtlinien. Die
Stromversorgungen eignen sich
für Eingangsspannung von 85
bis 264 VAC.
Emtron
ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung Juni 2016
11050
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In diesem Jahr feiert ELEKTRONIKPRAXIS 50. Geburtstag. Aus diesem Anlass berichten wir
in jeder Heftausgabe bis Frühjahr 2017 und online auf der Meilensteine-Webseite über die
führenden Unternehmen der Elektronikbranche. Was waren ihre wichtigsten Leistungen,
wo stehen die Unternehmen heute und wie sehen die Pioniere der Elektronik die Zukunft?
Entdecken Sie die ganze Geschichte unter
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Drivetrain - Starkstrom Augsburg eV

Anwenderforum Stromversorgung 2016

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Professor Elektrotechnik (m/w)

Systemingenieur (m/w) Entwicklung elektrische Systemtechnik und

Sehr geehrte Damen und Herren, Grundsätzlich sollte zunächst die

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