Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZMKompakte Umrichter mit hoher Leistungsdichte
Die neu entwickelte Halbleitergeneration auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis bietet auf Systemebene angesichts ihrer geringen Schaltverluste die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen von leistungselektronischen Systemen signifikant zu erhöhen. Dadurch kann die Baugröße der passiven Energiespeicher, vor allem der induktiven Bauteile, reduziert werden, weil nicht mehr so viel Energie zwischengespeichert werden muss. Der Fokus im ECPE-Lighthouse-Projekt "Industrial Demonstrator on System Level" lag in einer zusätzlichen Erhöhung der Leistungsdichte durch Innovationen in der Filtertopologie, der Steuerung der Halbleiter und der Pareto-Front-Optimierung des Gesamtsystems.
Die Ansteuerung erfasst zeitgleich alle Messwerte des Systems und regelt die Tastgrade aller insgesamt sechs Halbbrücken. Die Betriebsparameter können durch Ansteuerung über verschiedene Schnittstellen (USB, CAN-Bus und Ethernet) übermittelt oder manuell am System eingestellt werden. Die Ansteuerung unterstützt entsprechend den elektrischen Lastbedingungen den Einsatz unterschiedlicher Betriebsmodi (DCM, CCM, Flat Top Modulation) während einer Netz- bzw. Drehfeldperiode. Dadurch kann die Spannungs-Zeit-Fläche der PFC sowie der Motordrosseln und damit ihre Baugröße weiter reduziert werden. Die Größenreduzierung des Gleichtaktfilters wird mit der Verschiebung der CM-Spannung in den Zwischenkreis erreicht.
Eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte kann mit Pareto-Front-Optimierungen erreicht werden. Die dafür notwendigen Verlust-, EMV-, Thermik- und Volumenmodelle aller relevanten Bauteile wurden innerhalb dieses Projekts entwickelt und validiert.
Die im Umrichter verwendeten, niederinduktiven SiC-Halbleitermodule wurden im Rahmen des ECPE-Projekts "Switching Cell in Package" entworfen. Das Projektziel war hier die Entwicklung von modularen und skalierbaren leistungselektronischen Grundbausteinen, sogenannten msPEBBs (modular and scalable Power Electronics Building Blocks). Die Verwendung von Packages auf Chipebene (Chip Scale Packages – CSPs), die den Aufbau der DCB-PCB-basierten Module ohne Reinraumanforderungen ermöglichen, kann als weitere Innovation hervorgehoben werden.