Vereinfachung von Motorantriebs- und Umrichterdesigns mit IGBT-Modulen

Der Einsatz von Motoren und Umrichtern nimmt in Anwendungen wie Industrieautomation, Robotik, Elektrofahrzeugen, Solarenergie, Haushaltsgroßgeräten und Elektrowerkzeugen weiter zu. Mit diesem Wachstum geht die Notwendigkeit einher, die Effizienz zu verbessern, die Kosten zu senken, den Platzbedarf zu verringern und das Gesamtdesign zu vereinfachen. Es ist zwar verlockend, kundenspezifische Motor- und Umrichter-Leistungselektronik mit diskreten IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) zu entwerfen, um spezifische Anforderungen zu erfüllen, aber dies kann auf lange Sicht kostspielig sein und Entwicklungszeitpläne verzögern.

Stattdessen können Entwickler handelsübliche IGBT-Module verwenden, die mehrere Leistungsbauelemente in einem einzigen Gehäuse vereinen. Solche Module unterstützen das Bedürfnis der Entwickler, kompakte Systeme mit einem Minimum an Verbindungen zu entwickeln und dadurch die Montage zu vereinfachen, die Zeit bis zur Markteinführung und die Kosten zu reduzieren und die Gesamtleistung zu verbessern. In Kombination mit einem geeigneten IGBT-Treiber ermöglichen IGBT-Module die Entwicklung von effizienten und kostengünstigen Motorantrieben und Umrichtern.

Dieser Artikel beschreibt kurz Elektromotoren und Umrichter sowie die zugehörigen Antriebsschaltungen und Leistungsanforderungen. Anschließend werden die Vorteile der Verwendung von IGBT-Modulen und verschiedene Standards für die Modulgehäuse besprochen, bevor die Designoptionen für Motorantriebe und Umrichter vorgestellt werden, die auf IGBT-Modulen und Treiber-ICs von Anbietern wie NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics und ON Semiconductor basieren, sowie deren Anwendung, einschließlich der Verwendung von Evaluierungsboards.

Motortypen und Effizienzstandards

Die IEC/EN 60034-30 teilt den Wirkungsgrad von Motoren in die 5 Klassen IE1 bis IE5 ein. Die „National Electrical Manufacturers Association“ (NEMA) hat eine entsprechende Bewertungsskala von „Standard-Effizienz“ bis „Ultra-Premium-Effizienz“ (Abbildung 1). Der Einsatz von elektronischen Antrieben ist notwendig, um die höheren Effizienzstandards zu erfüllen. AC-Induktionsmotoren und elektronische Antriebe können die Anforderungen der Klassen IE3 und IE4 erfüllen. Um den Wirkungsgrad IE5 zu erreichen, sind teurere Permanentmagnetmotoren und elektronische Antriebe erforderlich.

Abbildung 1: Motoreffiziensklassen nach IEC/EN 60034-30 (IE1 bis IE5) und entsprechende NEMA-Bewertungen (Standard bis Ultra-Premium). AC-Induktionsmotoren mit FOC und elektronische Antriebe können die Anforderungen der Klassen IE3 und IE4 erfüllen. Um den Wirkungsgrad IE5 zu erreichen, sind teurere Permanentmagnetmotoren erforderlich. (Bildquelle: ECN)

Die Entwicklung von kostengünstigen Mikrocontrollern (MCUs) hat es den Entwicklern ermöglicht, die Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung (FOC) genannt, zu verwenden. Dabei handelt es sich um eine Regelungsmethode für frequenzvariable Antriebe (VFD), bei der die Statorströme eines Drehstrommotors als zwei orthogonale Komponenten identifiziert werden, die mit einem Vektor visualisiert werden können. Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) können verwendet werden, um die gemessenen Stromkomponenten auf ihren gewünschten Werten zu halten. Die Pulsweitenmodulation des VFD definiert die Transistorschaltung entsprechend den Statorspannungssollwerten, die von den PI-Stromreglern ausgegeben werden.

Ursprünglich für Hochleistungssysteme entwickelt, wird FOC aufgrund der Motorgröße, der geringeren Kosten und des niedrigeren Stromverbrauchs zunehmend auch für kostengünstigere Anwendungen attraktiv. Aufgrund der zunehmenden Verfügbarkeit kostengünstiger Hochleistungs-MCUs verdrängt die FOC zunehmend die leistungsschwächere skalare Volt-pro-Hertz-Regelung (U/f-Regelung) mit nur einer Variablen.

Es gibt zwei Haupttypen von Permanentmagnetmotoren, die heute verwendet werden: bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM). Beide dieser fortschrittlichen Motorkonzepte benötigen Leistungselektronik für Antrieb und Steuerung.

BLDC-Motoren sind langlebig, effizient und kostengünstig. PMSM-Motoren bieten die gleichen Eigenschaften von BLDC-Motoren, sind aber leiser und bieten etwas höhere Wirkungsgrade. Beide Motortypen werden üblicherweise mit Hallsensoren verwendet, können aber auch in sensorlosen Designs eingesetzt werden. PMSM-Motoren werden in Anwendungen eingesetzt, die ein Höchstmaß an Leistung erfordern, während BLDC-Motoren in kostensensitiveren Designs verwendet werden.

• BLDC-Motoren
  • Einfachere Ansteuerung (6 Schritte) und nur DC-Ströme erforderlich
  • Drehmomentwelligkeit bei Kommutierungen
  • Geringere Kosten und geringere Performance (im Vergleich zu PMSM)
• PMSM-Motoren
  • Üblicherweise in Servoantrieben mit integriertem Wellenencoder eingesetzt
  • Komplexere Steuerung (benötigt 3-phasige sinusförmige PWM)
  • Keine Drehmomentwelligkeit bei Kommutierungen
  • Höherer Wirkungsgrad, höheres Drehmoment
  • Höhere Kosten und höhere Performance (im Vergleich zu BLDC)

Wechselrichter-Übersicht

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt an, wie viel DC-Eingangsleistung in AC-Leistung am Ausgang umgewandelt wird. Hochwertige Sinus-Wechselrichter liefern einen Wirkungsgrad von 90 % bis 95 %. Modifizierte Sinus-Wechselrichter niedrigerer Qualität sind einfacher, preiswerter und haben einen geringeren Wirkungsgrad, typischerweise 75 % bis 85 %. Hochfrequenz-Wechselrichter bieten in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als Niederfrequenz-Ausführungen. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters hängt auch von der Belastung des Wechselrichters ab (Abbildung 2). Alle Wechselrichter erfordern einen Betrieb und eine Steuerung über Leistungselektronik.

Bei den Photovoltaik-Wechselrichtern gibt es drei Arten von Effizienzeinstufungen:

• Der Spitzenwirkungsgrad gibt die Leistung des Wechselrichters bei optimaler Leistungsabgabe an. Er zeigt den Maximalpunkt für einen bestimmten Umrichter und kann als Kriterium für dessen Qualität verwendet werden (Abbildung 2).
• Die europäische Effizienz ist der gewichtete Wert, der berücksichtigt, wie oft der Wechselrichter bei verschiedenen Ausgangsleistungen betrieben wird. Er ist manchmal nützlicher als der Spitzenwirkungsgrad, da er zeigt, wie sich der Wechselrichter bei verschiedenen Leistungsstufen während eines Sonnentages verhält.
• Der Wirkungsgrad der „California Energy Commission“ (CEC) ist ebenfalls ein gewichteter Wirkungsgrad, ähnlich dem europäischen Wirkungsgrad, aber er verwendet andere Annahmen zu Gewichtungsfaktoren.

Der Hauptunterschied zwischen den europäischen und den CEC-Wirkungsgraden besteht darin, dass die Annahmen über die Bedeutung der einzelnen Leistungsstufen für einen bestimmten Wechselrichter im ersten Fall auf den Daten für Mitteleuropa und im zweiten Fall für Kalifornien beruhen.

Abbildung 2: Typische Wechselrichter-Wirkungsgradkurve, die den Punkt des Spitzenwirkungsgrads zeigt. (Bildquelle: Penn State University)

IGBT-Grundlagen

Die Grundfunktion eines IGBTs ist das schnellstmögliche Schalten von elektrischen Strömen mit möglichst geringen Verlusten. Wie der Name schon sagt, ist ein IGBT ein bipolarer Transistor mit einer isolierten Gate-Struktur; das Gate selbst ist im Grunde ein MOSFET. Daher kombiniert der IGBT die Vorteile der hohen Strombelastbarkeit und der hohen Sperrspannungen eines Bipolartransistors mit der kapazitiven, leistungsarmen Ansteuerung eines MOSFETs. Abbildung 3 zeigt, wie ein MOSFET und ein bipolarer Transistor zusammen zum IGBT führen.

Abbildung 3: Konzeptueller Aufbau eines IGBTs mit dem MOSFET, der das isolierte Gate bildet, und der bipolaren Transistorstruktur, die den leistungsführenden Teil darstellt. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Die grundlegende Funktionsweise eines IGBTs ist einfach: Eine positive Spannung U_GE vom Gate (G, in Abbildung 3) zum Emitter (E) schaltet den MOSFET ein. Dann kann die am Kollektor (C) angeschlossene Spannung den Basisstrom durch den Bipolartransistor und den MOSFET treiben; der Bipolartransistor schaltet ein und der Laststrom kann fließen. Eine Spannung U_GE ≤ 0 Volt schaltet den MOSFET ab, der Basisstrom wird unterbrochen und der Bipolartransistor schaltet ebenfalls ab.

Obwohl das Konzept einfach ist, kann die Entwicklung von Hardware zur Steuerung eines IGBTs - eines Gate-Treibers - aufgrund zahlreicher Leistungsnuancen in realen Geräten und Schaltungen eine komplexe Aufgabe sein. Die meiste Zeit ist das nicht nötig. Halbleiterhersteller bieten geeignete Gate-Treiber mit einer Vielzahl von Funktionen und Fähigkeiten als integrierte Lösungen an. Daher ist es wichtig, IGBT-Module mit geeigneten Gate-Treibern abzustimmen.

IGBT-Module werden in einer Vielzahl von Gehäusen angeboten (Abbildung 4). Die größten Bauteile sind für 3300 Volt oder mehr ausgelegt und für den Einsatz in Megawatt-Installationen wie z. B. Systeme für erneuerbare Energie, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und sehr große Motorantriebe konzipiert. Mittelgroße Module haben typischerweise eine Nennspannung von 600 bis 1700 Volt für eine Vielzahl von Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, industrielle Motorantriebe und Solar-Wechselrichter.

Abbildung 4: IGBT-Module werden in einer Vielzahl von Gehäusen angeboten. Typische Spannungswerte reichen von 600 Volt bis 3300 Volt. (Bildquelle: Fuji Electric)

Die kleinsten Komponenten werden als integrierte Leistungsmodule bezeichnet und sind für 600 Volt ausgelegt. Sie können eingebaute Gate-Treiber und andere Komponenten für Motorantriebe in kleineren Industriesystemen und Haushaltsgroßgeräten für Verbraucher enthalten. IGBTs arbeiten mit höheren Leistungen und niedrigeren Schaltfrequenzen im Vergleich zu anderen Arten von Leistungsschaltkomponenten (Abbildung 5).

Abbildung 5: Leistungsbereich in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz für gängige Leistungsschaltgeräte (Bildquelle: Infineon Technologies)

IGBT-Modul-Evaluierungsboard für Traktionsumrichter

Für Entwickler von Hochspannungs-Traktionsumrichtern bietet NXP Semiconductors das Gate-Treiber-Energiemanagement-Evaluierungsboard FRDMGD3100HBIEVM mit seinem Halbbrücken-Gate-Treiber-IC MC33GD3100A3EK an. Dieses Evaluierungsboard ist speziell für die Verwendung mit dem IGBT-Modul FS820R08A6P2BBPSA1 von Infineon ausgelegt (Abbildung 6). Es ist eine Komplettlösung und beinhaltet Halbbrücken-Gate-Treiber-ICs, den Zwischenkreiskondensator und das Umsetzerboard für den Anschluss an einen PC, der die Steuersignale liefert. Zu den Zielanwendungen gehören:

• Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge und DC/DC-Hochspannungswandler
• On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge und externe Ladegeräte
• Andere Anwendungen zur Steuerung von AC-Hochspannungsmotoren

Abbildung 6: Das Gate-Treiber-Energiemanagement-Evaluierungsboard FRDMGD3100HBIEVM von NXP, das an das IGBT-Modul FS820R08A6P2BBPSA1 von Infineon angeschlossen ist und die Position des MC33GD3100A3EK, der Halbbrücken-Gatetreiber-ICs, des Zwischenkreiskondensators und der Übersetzerplatine (das die Steuersignale bereitstellt) für den Anschluss an einen PC zeigt. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Treiber für IGBT-Module mit den Abmessungen 150 mm x 62 mm x 17 mm

Für Entwickler von Motorantrieben, Solarwechselrichtern, HEV- und EV-Ladegeräten, Windturbinen, Transportsystemen und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen hat Texas Instruments den ISO5852SDWEVM-017 entwickelt (Abbildung 7). Es handelt sich um ein kompaktes, zweikanaliges, isoliertes Gate-Treiberboard, die Ansteuerung, Vorspannung, Schutz und Diagnose für generische Halbbrücken-Siliziumkarbid(SiC)-MOSFET- und Silizium-IGBT-Module in Standardgehäusen von 150 mm × 62 mm × 17 mm bietet. Dieses EVM von TI basiert auf dem Treiber-IC ISO5852SDW mit verstärkter Isolation für 5700 Volt(eff) in einem SOIC-16DW-Gehäuse mit 8,0 mm Kriech- und Luftstrecke. Das EVM enthält SN6505B-basierte isolierte DC/DC-Transformator-Vorspannungen.

Abbildung 7: Isolierte Zweikanal-Gate-Treiberplatine ISO5852SDWEVM-017 von Texas Instruments, montiert auf einem 150 mm × 62 mm großen IGBT-Modul. (Bildquelle: Texas Instruments)

Intelligente Leistungsmodul-Evaluierungsboards

STMicroelectronics bietet das 3-Phasen-Motorsteuerungs-Evaluierungsboard STEVAL-IHM028V2 (Abbildung 8) für 2000 Watt mit dem intelligenten IGBT-Leistungsmodul STGIPS20C60 an. Das Evaluierungsboard ist ein DC/AC-Wechselrichter, der eine Wellenform für den Antrieb von 3-Phasen-Motoren wie Induktionsmotoren oder PMSM-Motoren bis zu 2000 Watt in HLK (Klimaanlagen), Haushaltsgroßgeräten und High-End-Einphasen-Elektrowerkzeugen erzeugt. Entwickler können mit diesem EVB FOC-Konzepte mit Drehstrommotoren realisieren.

Der Hauptteil dieses EVMs ist ein universelles, vollständig evaluiertes und bestücktes Design, das aus einer 3-phasigen Wechselrichterbrücke auf Basis des intelligenten 600-Volt-IGBT-Leistungsmoduls im SDIP-25L-Gehäuse besteht, das auf einem Kühlkörper montiert ist. Das intelligente Leistungsmodul integriert alle Leistungs-IGBT-Schalter mit Freilaufdioden zusammen mit Hochspannungs-Gate-Treibern. Dieses Maß an Integration spart Leiterplattenplatz und Montagekosten und trägt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit bei. Die Karte ist für den Betrieb an einphasigen Netzen mit einer Spannung von 90 bis 285 Volt AC ausgelegt und ist auch mit Eingängen von 125 bis 400 Volt DC kompatibel.

Abbildung 8: Produktevaluierungsboard STEVAL-IHM028V2 von STMicroelectronics mit FOC. Diese Karte kann für die Bewertung einer Vielzahl von Anwendungen wie HLK (Klimaanlagen), Haushaltsgroßgeräten und einphasigen High-End-Elektrowerkzeugen verwendet werden. (Bildquelle: STMicroelectronics)

850-Watt-Evaluierungsboard für mehrere Motortypen

ON Semiconductor bietet das Evaluierungsboard SECO-1KW-MCTRL-GEVB an, das es Entwicklern ermöglicht, verschiedene Motortypen (AC-Induktionsmotor, PMSM, BLDC) unter Verwendung verschiedener Regelungsalgorithmen, einschließlich FOC, zu steuern, die mit einem Mikrocontroller implementiert sind, der über Arduino DUE-Header angeschlossen werden kann (Abbildung 9). Das Board ist für die Verwendung mit dem Arduino DUE (kompatibler Header) oder einem ähnlichen Controller-Board mit einer MCU vorgesehen. Das Board wurde eingeführt, um Entwickler bei ihren ersten Schritten bei der Entwicklung von Anwendungen mit integrierten Leistungsmodulen und Leistungsfaktorkorrektur zu unterstützen. Es richtet sich an Entwickler von Industriepumpen und -lüftern, industriellen Automatisierungssystemen und Verbrauchergeräten.

Abbildung 9: Blockdiagramm des Evaluierungsboards SECO−1KW−MCTRL−GEVB von ON Semiconductor (Bildquelle: ON Semiconductor)

Dieses Evaluierungsboard basiert auf dem NFAQ1060L36T (Abbildung 10), einer integrierten Wechselrichter-Leistungsstufe, die aus einem Hochspannungstreiber, sechs IGBTs und einem Thermistor besteht und zum Antrieb von PMSM-, BLDC- und AC-Induktionsmotoren geeignet ist. Die IGBTs werden in einer 3-Phasen-Brücke mit separaten Emitterverbindungen für die unteren Anschlüsse konfiguriert und bieten dadurch ein Maximum an Flexibilität bei der Wahl des Regelalgorithmus. Die Endstufe verfügt über eine Reihe von Schutzfunktionen, darunter Querschlussschutz, externe Abschaltung und Unterspannungsschutz. Ein interner Komparator und eine Referenz, die mit der Überstromschutzschaltung verbunden sind, ermöglichen dem Entwickler die Einstellung des Schutzpegels.

Abbildung 10: Funktionsblockschaltbild des integrierten Leistungsmoduls NFAQ1060L36T von ON Semiconductor (Bildquelle: ON Semiconductor)

Zusammenfassung der Merkmale des integrierten Leistungsmoduls NFAQ1060L36T:

• Dreiphasiges 10A/600V-IGBT-Modul mit integrierten Treibern
• Kompaktes Dual-in-Line-Gehäuse (29,6 mm x 18,2 mm)
• Integrierter Unterspannungsschutz
• Querleitungsschutz
• ITRIP-Eingang zum Abschalten aller IGBTs
• Integrierte Bootstrap-Dioden und Widerstände
• Thermistor zur Messung der Substrattemperatur
• Ausschalt-Pin
• UL1557-Zertifizierung

Fazit

Die Entwicklung von kundenspezifischer Motor- und Umrichter-Leistungselektronik unter Verwendung von diskreten IGBTs kann auf lange Sicht kostspielig sein und Entwicklungszeitpläne verzögern. Stattdessen können Entwickler handelsübliche IGBT-Module verwenden, die mehrere Leistungsbauelemente in einem einzigen Gehäuse vereinen. Solche Module unterstützen das Bedürfnis der Entwickler, kompakte Systeme mit einem Minimum an Verbindungen zu entwickeln und dadurch die Montage zu vereinfachen, die Zeit bis zur Markteinführung und die Kosten zu reduzieren und die Gesamtleistung zu verbessern.

Wie gezeigt, können Entwickler ein IGBT-Modul mit einem geeigneten IGBT-Treiber verwenden, um kostengünstige und kompakte Motorantriebe und Umrichter zu entwickeln, die den Leistungs- und Effizienzstandards entsprechen.

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