Referenz-Design für Inverter-Entwicklungen

Motorschonende Komplettlösung für E-Mobility und Industrial

10.06.16 | Autor / Redakteur: Wolfgang Rambow * / Gerd Kucera

Bild 1: Das gemeinsam von TDK und Infineon entwickelte Referenz-Design HybridPACK für Inverter in Automotive und Industrie.
Bild 1: Das gemeinsam von TDK und Infineon entwickelte Referenz-Design HybridPACK für Inverter in Automotive und Industrie. (Bild: TDK)

Um Antriebskonzepte einfacher zu realisieren, haben TDK und Infineon eine Umrichter-Komplettlösung entwickelt, die in E-Mobilität und Industrie-Anwendungen eingesetzt werden soll.

Für elektrische Antriebe werden in industriellen Anwendungen hauptsächlich Asynchronmotoren verwendet; für Automotive-Antriebe 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 Inverter-Betrieb 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.

Verbesserungen durch neue Schlüsselkomponenten

Um einen motorschonenden und EMV-gerechten Inverter anbieten zu können, haben Infineon und TDK dazu nötige Schlüsselkomponenten neu entwickelt, sorgfältig aufeinander abgestimmt und damit den bisherigen HybridPACK HP 1 verbessert.

Neben Verwendung der neuesten IGBT3-Chip-Generation mit erhöhter Durchbruchspannung von 705 V kommen (statt bisher zwei) nun sechs DC-Anschlüsse zum Einsatz (Bild 2). In Verbindung mit dem modifizierten DC-Link-Kondensator von EPCOS konnte dadurch 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).

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