Umrichter-Controller benötigen diverse Parameter für die Regelung des Wechselrichtersystems. Grundvoraussetzung für die Erzielung einer effizienten Regelung ist die Genauigkeit und Dynamik der Sensorsignale. Typische Inputparameter sind die Zwischenkreisspannung, der Ausgangsstrom und die Temperatur des Kühlkörpers oder der Bodenplatte des Moduls. Die Erfassung dieser Signale erfolgt in der Regel mit DC-Sensoren am Zwischenkreis, Stromsensoren auf der AC-Schiene und NTC-Sensoren im Modul auf der DCB. Die Signale müssen zur Weiterverarbeitung noch galvanisch getrennt und in Digitalwerte umgewandelt werden. Dieser Aufbau benötigt jeweils eine separate Stromversorgung für die Sensoren und die Auswerteschaltungen und eine entsprechende Verkabelung.
Der IGBT-Treiber Skyper Prime ersetzt diese aufwändige Lösung durch eine integrierte Sensorauswertung. Die Zwischenkreisspannung und den modulinternen NTC erfasst er direkt am Modul. Beide Signale werden galvanisch getrennt an die Primärseite übertragen und als digitales PWM-Signal dem Controller zur Verfügung gestellt. Die Genauigkeit der DC-Erfassung liegt über die gesamte Messkette bei unter 1,5 Prozent. Das ergibt eine Verbesserung von 25 Prozent im Vergleich zu bestehenden Systemen. Weitere A/D-Wandlungen oder Pegeleinstellungen, welche die Genauigkeit reduzieren, entfallen. Die Capture-Compare-Einheit des Controllers kann die PWM-Signale von Temperatur und Spannung direkt verarbeiten. Die Sensorerfassungsboards entfallen und die volle Genauigkeit und Dynamik kann ausgenutzt werden. Das ermöglicht eine wesentlich effizientere Lebenszyklusanalyse und damit auch eine konkretere Planung der Servicekonzepte. Wartungskosten lassen sich dadurch deutlich senken.
Mehr Leistung durch effiziente Parallelschaltung
Eine symmetrische Stromaufteilung ist die größte Herausforderung, wenn in Umrichtern IGBT-Module parallel geschaltet werden um die Stromrichtung in Megawatt-Anwendungen zu realisieren. Toleranzen der IGBT-Chips, Verzögerungszeiten und Gate-Spannungen des IGBT-Treibers, die Last-Anschlüsse oder das Kühlverfahren können die Stromsymmetrie beeinflussen. Je größer die Leistungsklasse und somit je größer die Abmessungen des Wechselrichters, desto anspruchsvoller wird die symmetrische Stromaufteilung. Es gibt verschiedene Ansätze, die Stromsymmetrie zu optimieren.
Eine Möglichkeit ist eine zusätzliche AC-Induktivität im Lastausgang des Wechselrichters. Diese Induktivität kompensiert jedoch vorwiegend die Toleranzen der Dioden, nicht aber im selben Maß die Toleranzen der IGBTs. Effizienter ist es, die einzelnen Einflussfaktoren auf die Stromsymmetrie direkt zu optimieren, indem die Einzeltoleranzen aller Subkomponenten auf ein Minimum reduziert werden. Das gilt auch für die Treiberelektronik. Sie muss über den gesamten Temperaturbereich akkurate Ansteuersignale liefern.
Ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Stromsymmetrie ist die Ansteuerspannung des IGBTs. Schwankt diese abhängig von der Temperatur, entstehen unterschiedliche Schaltzeiten. Stabilisierte Gate-Spannungen lösen dieses Problem. Sie bieten, unabhängig von der kundenseitigen Spannungsversorgung, gleichbleibende Gateansteuerungsspannungen. Dadurch steht die volle Leistung parallel geschalteter IGBTs ohne signifikantes Derating, über die gesamte Temperatur zur Verfügung.
Einflussfaktor Skew
Ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor ist der Skew. Der Skew bezeichnet die Laufzeitenunterschiede der Ansteuersignale. Er liegt bei einer effizienten Parallelschaltung von IGBT-Modulen bei weniger als 50 ns. Die Herausforderung besteht darin, die Laufzeitenunterschiede zu minimieren, ohne gleichzeitig die EMV-Robustheit zu reduzieren. Je kürzer die Durchlaufzeit, desto eingeschränkter sind die Filtermöglichkeiten. In Anbetracht der Trägheit der IGBT-Schalter, sind daher Durchlaufzeiten unter 1 µs nur in speziellen Anwendungen notwendig.
Bei diesen Durchlaufzeiten muss aber die temperaturabhängige Toleranz möglichst gering sein. Um das zu gewährleisten arbeiten zum Beispiel die Mixed-Signal-ASICs des Skyper Prime mit digitalen Eingangsfiltern. Diese bleiben über die Temperatur stabil. Eine permanente Überlast einzelner IGBT-Schalter durch unsymmetrische Stromaufteilung und die damit einhergehende Reduktion der Lebensdauer werden dadurch verhindert.
Neben den minimierten Toleranzen bietet ein symmetrisches Layout der Ansteuerleiterplatten auch die Möglichkeit die synchronen Schaltzeiten zu optimieren. Dazu sollten aufgeteilte Schaltsignale alle den gleichen Weg zurücklegen; nicht nur aufgrund der Signallaufzeit sondern auch wegen den unterschiedlichen Einkoppelverhalten in abweichenden Layouts in den Gateansteuerkreisen. Bei einer harten Parallelschaltung muss auch die Fehler- und Signallogik parallelisierbar sein. Außerdem sollte auch die Fehlerreaktion schnell und ohne den externen Controller reagieren können.
SOA-Optimierung für beste Ausgangsleistung
Die Safe-Operating-Area definiert den nutzbaren Leistungsbereich. Die wesentlichen limitierenden Faktoren für den Leistungsbereich sind die Überspannungen im Ausschaltvorgang des IGBTs. Diese dürfen die maximale Kollektor-Emitter-Spannung der Chips nicht überschreiten. Die Ursachen für die Überspannungen sind die parasitären Induktivitäten im Zwischenkreis, die Modulinduktivität, das Koppelverhalten im Gatepfad und die Betriebsparameter des Umrichters. In der Überstromsituation ist dieses Verhalten am kritischsten. Damit die Treiberelektronik die nutzbare Leistung des IGBT-Moduls voll ausschöpfen kann, gilt es die Überspannungen sowohl im regulären Schaltmoment als auch im Kurzschlussfall zu minimieren. Der effektivste Ansatz besteht darin, in beiden Fällen mit unterschiedlichen Ansteuerparametern zu arbeiten. Das bedeutet unterschiedliche Gatepfade beziehungsweise Ausgangsstufen zu nutzen.
Einen großen Einfluss auf die Höhe der Überspannungen besitzt das unterschiedliche Chipverhalten bei verschiedenen Temperaturen. Die Ausmessung der Chipcharakterisitik über den kompletten Temperaturbereich erlaubt eine Optimierung der Gate-Widerstände und Schutzeinstellungen. In der Folge können die IGBTs viel effizienter ohne zusätzliche Regelkreise oder Clampingschaltungen angesteuert werden. Active Clamping ist ein stark verbreiteter Weg, die Überspannungen nachträglich zu dämpfen. Neben den zusätzlichen Verlusten führen vor allem die zusätzlichen Oszillationen zu ungeplantem Systemverhalten.
Aufgrund der Toleranzen der Clampingdioden ist die nutzbare Zwischenkreisspannung begrenzt. Durch die Oszillationen können unkalkulierbare Fehlerzustände entstehen. Ein neuer Lösungsansatz ist die Kombination einer erweiterten Kurzschlusserkennung mit SOA-optimierten Gatewiderständen. Dadurch steigert sich die nutzbare Leistung um 5 Prozent im Vergleich zu bestehenden Ansätzen.
Neue IGBT-Treiber für Megawatt-Wechselrichter, wie Skyper Prime, bieten viele Vorteile. Mit der Integration von Sensorsignalen entfallen bis 30 Prozent der Systemkosten. Die Genauigkeit und Dynamik der Spannungs- und Temperaturmessung erlauben ein effizientes Systemmonitoring und damit eine Optimierung des Service und der Lebensdauer. Das konsistente Schaltverhalten und die Schnittstelle bieten auch beim Parallelschalten eine sehr hohe Ausgangsleistung für Hochleistungsmodule wie Primepack oder Semitrans 10.
