Kompakter, modularer Inverter realisiert mit Standard-Bauelementen

Das Unternehmen Mankel-Engineering hat gemeinsam mit TDK und Infineon Technologies einen äußerst kompakten Motor-Inverter entwickelt. Er ist modular aufgebaut und basiert auf Standard-Bauelementen, wodurch sich eine kostengünstige Lösung für eine Vielzahl von Antriebsaufgaben in der E-Mobilität und Industrie-Elektronik ergibt. 

Der neue Inverter zeichnet sich durch einen weiten Eingangsspannungsbereich von 240 V DC bis 475 V DC aus und bietet eine Spitzenleistung von 120 kW bei 400 VDC. Zur Verbesserung der EMV ist die gesamte Elektronik des Inverters sowie alle Anschlüsse und Durchführungen in einem geschirmten Gehäuse aus Aluminium verbaut, in das auch den Flüssigkeits-Kühler auf der Unterseite integriert ist. Er dient zur Entwärmung des IGBT-Moduls wie auch der passiven Bauelemente. Als maximale Kühlmittel-Zulauftemperatur wurde die in der Automobilindustrie üblichen 65 °C vorgesehen. Neben der Version mit einer Zwischenkreisspannung von 500 V gibt es auch eine Version mit 850 V. Dank des Software-Pakets mit dem selbst entwickelten GUI (Graphical User Interface) ist der Inverter sofort betriebsbereit.

Standard-IGBT-Module mit bewährter Technologie und hoher Leistung

Herzstück des Inverters ist das Infineon HybridPACK™ Drive Modul FS 820R08 PinFin (Abbildung 1) mit einer maximalen Spannung von 750 V, das beim beschriebenen Umrichter mit einer DC-Link-Spannung von max. 470 V zum Einsatz kommt. 

Das HybridPACK™ Drive ist ein sehr kompaktes Leistungsmodul, das sich hervorragend für Hauptwechselrichteranwendungen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen (xEV) eignet. Der Leistungstyp FS820R08 (820 A/750 V) ist ein Sixpack-Modul, das für Umrichter mit maximal 150 kW Wechselrichter optimiert ist. Das Leistungsmodul implementiert die EDT2 IGBT-Chipgeneration, bei der es sich um ein Micro-Pattern Trench-Field-Stop-Zelldesign für die Automobilindustrie handelt. Der Chipsatz verfügt über eine beispielhaft hohe Stromdichte in Kombination mit Kurzschlussrobustheit und erhöhter Sperrspannung für einen zuverlässigen Umrichterbetrieb unter rauen Umgebungsbedingungen. Die EDT2 IGBTs weisen zudem hervorragende Leichtlastverluste auf, die dazu beitragen, die Systemeffizienz über einen realen Fahrzyklus deutlich zu verbessern. Der Chipsatz wurde für Schaltfrequenzen im Bereich von 10 kHz optimiert. 

Abbildung 1:

Die Serie HybridPACK™ zeichnet sich durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit aus.

Abbildung 2:

PCC-Kondensatoren von TDK sind mit ihren Geometrien und Anschlüssen passgenau auf die IGBT-Module abgestimmt. Dadurch ergeben sich sehr geringe Induktivitätswerte.

Die Leistungsmodulfamilie HybridPACK™Drive ist mit mechanischen Führungselementen ausgestattet, die eine einfache Montage für den Kunden ermöglichen. Außerdem vermeiden die Einpressstifte für die Signalanschlüsse zusätzliche zeitaufwendige Selektivlötprozesse, was zu Kosteneinsparungen auf Systemebene führt und die Systemzuverlässigkeit erhöht. Die direkt gekühlte Grundplatte mit PinFin-Struktur im FS820R08A6P2B Modul und zusammen mit dem implementierten EDT2 Chipsatz zeigt überlegene thermische Eigenschaften. Aufgrund der hohen Luft- und Kriechstrecken ist die Modulfamilie auch für erhöhte Systembetriebsspannungen geeignet und unterstützt modulare Wechselrichteransätze bezüglich Leistung und Spannung, wodurch eine Skalierbarkeit bezüglich Leistung und Spannung gegeben ist.

Kompakte Zwischenkreislösungen von TDK

Der speziell angepasste Hochleistungs-DC-Link-Kondensator aus dem PCC-Programm (Power Capacitor Chip) von TDK bietet eine Kapazität von 650 µF bei einer Spannung von 500 V DC (Abbildung 2). Dieser robuste Kondensator mit der Automotive-Zulassung nach AEC-Q200 wird auf einer vollautomatisierten Fertigungslinie hergestellt und überzeugt durch sehr hohe Dauer- als auch Spitzenstromwerte von bis zu 180 A. Viele Tier1/OEM nutzen bereits kundenspezifische Lösungen dieses Kondensators in Ihren Serien-Umrichtern. Mit diesem Kondensator wurde auch ein Quasi-Standard gesetzt. Seine niedrigen ESL-Werte von minimal 10 nH unterstützen sowohl den EMV-Filter während er gleichzeitig das Halbleiter-Modul vor Schalt-Überspannungen – dem sogenannten Overshoot – schützt. Des Weiteren wurde er für eine Dauerspannung von 500 V ausgelegt, um auch die Überspannungen, die beim Laden auftreten, kompensieren zu können. Seine geschweißten Kontaktstellen, anstelle der bei vielen Wettbewerbern üblichen Lötverbindungen, setzen auch hier seit Jahren den Standard für höchste Stromtragfähigkeit – insbesondere bei voller Beanspruchung durch Temperaturwechsel – und sorgen für größtmögliche Zuverlässigkeit in der Automobiltechnik. Die integrierten Busbars symmetrieren gleichzeitig den verbauten Kondensatorstapel und erlauben somit die größtmögliche Nutzung von deren Kapazität für alle Halbleiterschalter. Die überlappende Ausführung der Busbars bis hin zum Halbleitermodul reduziert gleichzeitig die Scheininduktivität ESL, so dass in der Regel auf spezielle Snubber-Kondensatoren verzichtet werden kann. Durch die Herstellung eigener Filme erlaubt TDK für eine begrenzte Zeit hier sogar einen Einsatz bei bis zu einer Temperatur von 110 °C.

EMV im Griff mit neuen TDK Hochstromfiltern der Serie CarXield™

CarXield™ (Abbildung 3) ist eine neue, modulare EMV-Filterserie, die zwischen die Hochvoltbatterie und den DC-Link-Eingang des Inverters geschaltet wird. An diesen Filtern werden die HV-DC-Leistungsanschlüsse direkt an den Filter angeschlossen. Dieser verfügt hierfür über spezielle – extra für erhöhte Stromtragfähigkeit und verbesserte Kriechstrecken ausgelegte – L-Form-Anschlüsse für die Aufnahme der Rohrkabelschuhe. Die verwendete Filterkombination reduziert die Hochfrequenzstörungen, die grundsätzlich immer beim Schalten des Leistungsmoduls auftreten sehr deutlich. Aber auch Signale, die im akustisch wahrnehmbaren Bereich liegen, werden deutlich reduziert. Verfügbar sind die Filter derzeit für Spannungen von 500 V DC oder 900 V DC bei Strömen von bis zu 400 A bei 85 °C.

Abbildung 3:

EMV-Filter der neuen CarXield Serie. Sie eigenen sich für Ströme von bis zu 400 A.

Abbildung 4:

EMV-Zonen-Diagramm. In der Zone Z0, den AC-Anschlüssen für den Motor, können speziell geformte TDK Ferritkerne für eine Dämpfung hochfrequenter Störungen sorgen.

Die CarXield EMV-Filter decken die unterschiedliche Leistungs- wie auch Spannungsklassen ab. Auch für die nächsten IGBT-Generationen mit 1200 V wie auch Wide-Band-Gap-Module wie 1200 V SiC – und somit maximal 850 V DC-Link Spannung – wurde hierbei bereits Rechnung getragen. Für maximale Flexibilität stehen unterschiedliche Ausführungen der Stromschienen zur Verfügung. Zudem gibt es auch eine Variante ohne integrierte Stromschiene.

Abbildung 4 zeigt den typischen systematischen Aufbau und Anordnung der EMV-Filter-Komponenten als sogenanntes Zonenregime innerhalb eines typischen Inverters, wobei Zone Z3 für den CarXield™ steht und Z0 für einen zusätzlich Common Mode bedämpfenden Kern über den AC-Anschlüssen. Weitere Maßnahmen sind die saubere Anordnung und Trennung und Abschirmung der jeweiligen Komponenten, um bestmögliche EMV-Ergebnisse zu erzielen.

Messungen, die im Labor von Mankel-Engineering durchgeführt wurden, zeigen die hervorragende EMV-Performance des CarXield Filters als auch die des Umrichters unter Last versus der Grenzforderung nach CISPR 25, Class HV5 (Abbildung 5).

Abbildung 5:

Dank des Einsatzes von CarXield (blaue Kurve) konnten hochfrequente Störungen unter die von CISPR 25, Class HV5 gesenkt werden.

Abbildung 6:

Gate-Drive-Übertrager der Serie E13EMHV eigenen sich für Flyback-, Push-Pull- und Half-Bridge-DC/DC-Wandler.

TDK Bauelemente für die Controller- und Schnittstellen-Baugruppe

Neben der Hochvolt-Leistungseinheit benötigt der Inverter einen Controller sowie Schnittstellen, wie zum Beispiel zur Drehzahl- und Richtungserfassung, die mit 12 V versorgt werden. Auch hierfür liefert TDK ein breites Portfolio an Bauelementen. So sind Gate-Drive-Übertrager fester Bestandteil der Controller-Einheit. Dafür eignet sich zum Beispiel die EPCOS Serie E13EMHV von kompakten SMT-Übertragern (B78308*A003) mit hoher Spannungsfestigkeit für die verschiedensten DC-DC-Wandler-Topologien (Abbildung 6). Die Isolationsabstände entsprechen der Norm IEC 60664-1, 61558-2-16, wodurch eine hohe Arbeitsspannung von 1000 V DC erreicht wird. Transiente Überspannungen von bis zu 2500 V_peak sind dabei zulässig. Die hohe Spannungsfestigkeit zwischen Primär- und Sekundärseite beträgt 3000 V AC (50 Hz, 60 Sekunden). Die Typen der neuen Serie sind mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen verfügbar.

Für die digitalen Kommunikationsschnittstellen bietet TDK spezielle CAN-Bus-Drosseln der Serien ACT1210 und ACT45B. Sie verhindern das sogenannte Ringing beim Pegelwechsel der CAN-Bus-Signale und ermöglichen so eine störungsfreie Kommunikation.

Neben den beschriebenen Bauelementen bietet TDK eine Vielzahl von zuverlässigen und langlebigen passiven Bauelementen, aber auch Sensoren, die auf die hohen Anforderungen in den Bereichen Automotive und Industrial zugeschnitten sind.