Wenn man bei GvA Leistungselektronik von eben jener Leistungselektronik spricht, darf es durchaus etwas größer sein. Und die leistungselektronischen Stufen, die in Mannheim gefertigt werden, sind mit dem Begriff „Mikroelektronik“ sicher auch unzutreffend beschrieben. Doch diese Mikroelektronik schickt sich immer mehr an, ihren Platz in der Makroelektronik zu suchen. „Ein Beispiel dafür ist die Tatsache, dass umrichternahe Elektroniken heute schon in der Lage sind, den Halbleiter in Echtzeit zu überwachen“, erklärt Werner Bresch, Unternehmensgründer und Geschäftsführer der GvA Leistungselektronik. „Es lassen sich in Echtzeit Informationen an die Umgebung senden, wie es um den Leistungshalbleiter bestellt ist, wie die Schaltflanken aussehen, wie die Steuerstrecken aussehen, wie die Temperatur in der Umgebung des schaltenden Halbleiters aussieht.“ Da sich die entsprechenden Daten speichern lassen, ist im Falle eines Fehlverhaltens eine genaue Analyse möglich. „Dabei geht es natürlich auch um die Ermittlung der primären Ausfallursachen“, so Werner Bresch.
Gemütszustand der Leistungselektronik
Da die Daten jederzeit an jedem Ort verfügbar sind, können Wechselrichter auf der ganzen Welt permanent überwacht werden. „Man kann den Gemütszustand der Leistungselektronik prüfen“, erläutert Werner Bresch. „Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten bezüglich der Verfügbarkeit. Man kann beispielsweise auch Wartungslevel definieren und Wartung durchführen, wenn eine Anlage sowieso still steht - beispielsweise ein Windrad bei einer Flaute.“ Diese software-relevanten Hilfs- und Ansteuerelektroniken rücken also immer näher an den Leistungshalbleiter heran. Aus Sicht von Werner Bresch ist das aber auch dringend notwendig. Die ehemaligen Verbraucher werden selber zu Erzeugern und Lieferanten von Energie. „Es ist schon wichtig, dass die Leistungselektroniken ihren Gemütszustand äußern und sich entsprechend miteinander abstimmen, was zu tun ist“, beschreibt Werner Bresch die Notwendigkeit. „Das wird immer wichtiger werden und stellt neue Anforderungen an die Ingenieure, weil mehrere Fachbereiche ineinander greifen.“
Vom Taschenrechner zum Emulator
Ein weiterer Trend aus Sicht von Werner Bresch ist der Wandel bezüglich der Designtools bei der Entwicklung von Leistungselektronik. Als ein wesentliches Beispiel dafür sieht er die Möglichkeiten, die sich aus Hardware-in-the-Loop ergeben. GvA hatte im vergangenen Jahr großen Erfolg mit dem Emulator von Typhoon HIL, bei dessen Einsatz eine virtuelle Leistungselektronik mit der selbst entwickelten Controller-Soft- und Hardware in Echtzeit getestet und überprüft werden kann bevor die Leistungselektronik hardwaremäßig überhaupt aufgebaut wird. „So kann man am Schreibtisch eine Leistungselektronik virtuell nach allen Regeln der Kunst testen“, beschreibt Werner Bresch die Vorteile. „Dabei spielt es keine Rolle, wie groß die Lösung ist, das können Gigawatt sein. Und Sie müssen die teure Leistungselektronik nicht wirklich in Betrieb nehmen und Gefahr laufen, diese beim ersten Einschalten zu zerstören.“ Fasziniert ist Werner Bresch vor allem auch davon, wie genau der Emulator die realen Anwendungsbedingungen wiedergibt. Die Vorteile der Emulation liegen auf der Hand: Entwicklungszeiten lassen sich deutlich verkürzen, zudem wird die Entwicklung wesentlich sicherer - im Testlabor explodierende Leistungselektronik sollte damit weitgehend der Vergangenheit angehören. Denn der Emulator bietet völlig neue Möglichkeiten des Testens. „Man kann auch Betriebszustände emulieren, die in der Realität so nicht gefahren werden können, weil die Umgebung es einfach nicht zulässt“, erklärt Werner Bresch.
Lösungen für die Mittelspannung
Dennoch spielt die Makro-Elektronik auch weiterhin eine wichtige Rolle, weshalb GvA Leistungselektronik auch eine Reihe von Komponenten für Mittelspannungsanwendungen vorstellt. „Dabei fassen wir den Begriff der Komponente deutlich weiter als es üblich ist“, erläutert Werner Bresch. „Wir wollen ganzheitliche Komponenten anbieten.“ Ganzheitlich bedeutet in diesem Fall: Funktionskomponenten, die für eine bestimmte Spannung ausgelegt sind - ob nun 4,2, 12 oder 24kV - und alles beinhalten, was zum Betrieb auf dieser Spannungsebene notwendig ist.
Fehlende Basiskomponenten
Die größte Herausforderung bei Mittelspannungsanwendungen ist in der Regel nicht das Silizium, so Werner Bresch. Vielmehr seien es Probleme peripherer Natur wie zum Beispiel das Fehlen geeigneter Hilfsspannungsversorgungen. „Für eine 400- oder 660-V-Anwendung ist das gar kein Problem, bei 1.000 oder 1.200 V geht es auch noch“, erklärt Werner Bresch. „Aber darüber hinaus wird es sehr schwer, eine Hilfspannungsversorgung zu finden, die eine sichere Potentialtrennung bietet, koppelkapazitivarm ist, die notwendige Leistung bringt und die Isolationskoordinaten hält, das ist das Allerwichtigste.“ Von der Isolationsspannung als Maßstab hält Werner Bresch hingegen wenig. „Die Isolationsspannung sagt nur aus, dass das Bauelement während eines Tests der Spannung standgehalten hat. Ob das beim zweiten Test auch klappt, sagt diese Messung nicht“, führt Werner Bresch aus. „Den nächsten Test müssen Sie sogar mit abgestufter Spannung machen, weil die Gefahr besteht, dass das Bauteil durch den ersten Test angeschädigt wurde.“ Die Angabe einer Teilentladungsfestigkeit ist sinnvoller und aussagekräftiger.
Einzeln oder als Stack
Diese Spannungsversorgungen für IGBTs und die dazugehörigen Treiber gehören zu den neuen Komponenten von GvA. Auch für Bipolar-Komponenten wie Thyristoren gibt es entsprechende Hilfsspannungsversorgungen mit den passenden Treibern. All diese Produkte bietet GvA sowohl als einzelne Komponente als auch als Stack an. Dazu gehören dann unter anderem die Spannungsversorgungen, die Treiber, die Leistungshalbleiter und eine passende Kühlung. „In der Mittelspannung ist die Kühlung nicht mehr ganz so einfach“, erläutert Werner Bresch. „Sie können nicht einfach die Standard-Kühler mit ihren scharfen Ecken und Kanten verwenden. Bei 12 kV müssen Sie mit Feldüberhöhungen und Teilentladungen rechnen. Und in unseren ganzheitlichen Komponentenlösungen sind alle diese Einzelkomponenten aufeinander abgestimmt enthalten. Sie müssen die Lösung einfach nur noch einbauen.“ Je nach geplantem Einsatz bieten die Treiber dann schon bestimmte Funktionen wie Überwachungs- und Kommunikationsmöglichkeiten - hier bringt GvA die Mikro- und Makroelektronik zusammen. „Wir haben da schon einige Kommunikationspfade geöffnet“, so Werner Bresch. Alle Komponenten sind als Standard-Produkte verfügbar, können je nach Bedarf aber auch auf bestimmte Kundenanforderungen hin modifiziert werden.
