Ein ultrakompaktes MOSFET-Wechselrichtersystem 

SEMIKRON stellt mit SKAI 3 LV von seiner Seite das Leistungsteil als Gesamtbaugruppe mit einem modernen integrierten MOSFET-Modul mit angeschlossenem DC-Link, Gate-Treiber, Schutzfunktionen und Sensoren zur Verfügung. Es bietet eine komplette, leistungsstarke Lösung für 3-Phasen-Motorantriebe und ein vorgefertigtes Leistungsteil, was die Markteinführungszeit verkürzt. Alles zusammen in einem maßgeschneiderten Gehäuse ergibt einen ultrakompakten MOSFET-Umrichter. Die 3. Generation der SKAI LV Industrie-MOSFET-Wechselrichter repräsentiert die 7. Generation der Wechselrichtertechnologie von SEMIKRON, mit mehr als 1,5 Millionen MOSFET-Wechselrichtern im Feld. Bei der 3. Generation handelt es sich um ein Plattformkonzept, das Standardausführungen bietet oder an die Bedürfnisse des Anwenders angepasst werden kann. Der Umrichter kann einfach an eine kundenspezifische Steuerplatine angebunden werden. Das ermöglicht ein schnelles und einfaches Design, während die Steuerung dem Kunden überlassen bleibt.

Eine hochgradig konfigurierbare und intuitive Steuerungslösung

Silicon Mobility liefert von seiner Seite mit dem OLEA® COMPOSER – T222 Starter Kit für SKAI 3 LV die digitalen Steuerungs- und Softwarevoraussetzungen der Plattform. Dies umfasst eine Referenz-Steuerungsplatine mit OLEA® T222 FPCU, einem leistungsstarken Steuerchip, und OLEA® APP INVERTER, eine Steuerungssoftware. Diese sind an das SKAI 3 LV Wechselrichter-System angepasst und sind vollständig konfigurierbar, um eine Vielzahl von 3-phasigen PMSM- und WRSM-Elektromotoren und Positionssensoren zu unterstützen. Die Anwendung bietet ein effizientes und sicheres Drehmoment- und Drehzahlmanagement unter Verwendung von feldorientierter Regelung (FOC) und variablen Raumzeiger-Pulsweitenmodulation-Algorithmen (PWM) von 2 kHz bis zu 100 kHz. Sie beinhaltet außerdem zahlreiche konfigurierbare Sicherheitsmechanismen zur Fehlererkennung und -reaktion wie Überstrom, Überspannung und Übertemperatur. Die Kalibrierung und Validierung werden durch die native Unterstützung des ASAM-Standards ermöglicht. Das Starter-Kit enthält außerdem einen fahrzeugabhängigen Software-Demo-Code sowie eine GUI-Software für die Messung, Konfiguration, Kalibrierung und das Firmware-Update.

Eine Starthilfe für schnelle Systementwicklung und offen für Anpassungen

Die kombinierte Lösung bietet Anwendern Zugang zu einer optimierten, branchenführenden und vollständig vorbereiteten Power & Control-Wechselrichter-Plattform. SEMIKRON wie Silicon Mobility bieten einen Ready-to-Go-Service, damit Kunden sofort mit der Lösung arbeiten können. Das ermöglicht ein schnelles Prototyping und die Entwicklung von Industrie- oder Automotive-Systemen jeglicher Art. Die Plattform ist als White Box verfügbar, bei der die Anwender auf Wunsch das Leistungsmodul/Gehäuse von SEMIKRON und den Zugriff auf den OLEA APP INVERTER-Code durch eine spezielle Lizenz anpassen können.

Karl-Heinz Gaubatz, Chief Executive Officer (CEO) / Chief Technical Officer (CTO), SEMIKRON INTERNATIONAL GmbH

„Mit Silicon Mobility, einem Technologieführer im Bereich ultraschneller Regelungskonzepte ergibt sich eine perfekte Kombination für hochwertige, leistungsstarke Lösungen für Niedervolt-Fahrzeuganwendungen“, erklärt Karl-Heinz Gaubatz, CEO von SEMIKRON. „Mit dieser Plattform bieten wir den Herstellern von Niedervoltfahrzeugen Zugang zu Technologien und Lösungen, die weit über den heutigen Stand der Technik hinausgehen und ihnen einen zusätzlichen Vorteil für ihre Designs eröffnen.“

Rainer Kallenbach, Chief Executive Officer (CEO), Silicon Mobility

„Zusammen mit SEMIKRON, einem anerkannten Weltmarktführer für Leistungsmodule, haben wir Steuerungstechnologie und Leistungselektronik kombiniert, um eine einzigartige Plattform zu liefern, die in hohem Maße kundenspezifisch anpassbar ist, ohne Kompromisse bei Leistung und Qualität einzugehen“, sagte Rainer Kallenbach, CEO von Silicon Mobility. „Durch die Wahl dieser Plattform können Fahrzeughersteller die Elektrifizierung ihrer Fahrzeuge beschleunigen und es bietet sich ihnen die Möglichkeit einer zukünftigen Differenzierung.“

Silicon Mobility und SEMIKRON bieten Kunden die Möglichkeit, sofort mit dem Testen zu beginnen.

Über Silicon Mobility:

Silicon Mobility ist ein Technologieführer und Erfinder der FPCU Halbleiter Architektur für ultra-schnelle und sicherheits-kritische Echtzeit-Regelanwendungen. Silicon Mobility hat sich zum Ziel gesetzt, die Mobilität sauberer, sicherer und intelligenter zu gestalten. Das Unternehmen konzipiert, entwickelt und vermarktet flexible, sichere und offene Halbleiterlösungen für die Automobilindustrie zur Erhöhung der Energieeffizienz, Reduzierung von Emissionen und Erhöhung der Insassen-Sicherheit.

Die Produkte von Silicon Mobility steuern Elektromotoren, Batterien und Energiemanagementsysteme von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Durch den Einsatz der Technologien von Silicon Mobility erhöhen die Hersteller nicht nur den Wirkungsgrad der Elektromotoren, sondern reduzieren auch deren Größe, Gewicht und Kosten bei gleichzeitiger Steigerung der Fahrzeugreichweiten und der Batterielebensdauer. Die Technologien und Produkte von Silicon Mobility beschleunigen die Elektrifizierung von Fahrzeugen. Das Unternehmen hat seinen Sitz in Sophia-Antipolis (Frankreich) und unterhält Niederlassungen in Deutschland, Silicon Valley (USA) sowie in China und Japan. Weitere Informationen finden Sie unter: www.silicon-mobility.com

Optimierte Pulsmuster (OPPs) minimieren die Stromverzerrungen pro Schaltzyklus im stationären Betrieb, aber das Erreichen einer hohen dynamischen Regelung wird im Allgemeinen als unmöglich angesehen. MP³C löst dieses Problem, indem ein modellprädiktives Steuerungsproblem formuliert und gelöst wird. Der Statorflussvektor wird entlang seiner optimalen Zustandskurve gesteuert, indem die Schaltzeitpunkte der Schaltübergänge der OPPs modifiziert werden. MP³C kombiniert die Vorteile von Hysterese Regelungsmethoden, wie z. B. die direkte Drehmomentregelung, mit der optimalen stationären Leistung von OPPs, indem es den Wiederspruch zwischen beiden auflöst. MP³C wurde erfolgreich in einem ABB-Mittelspannungsantrieb demonstriert und erprobt. Die Regelungsinnovation steigert die Leistung des Antriebs bei hohen Grundfrequenzen um bis zu 50 %.

Der diesjährige SEMIKRON Young Engineer Award geht an Dr. Jakub Kucka (jetzt EPFL École Polytechnique Fédérale de Lausanne) für seine Arbeit zum Thema ‚Quasi-Two-Level PWM Operation for Modular Multilevel Converters‘, die er am Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik der Leibniz Universität Hannover durchgeführt hat.

Die neuartige Quasi-Zwei-Level-PWM-Betriebsart revolutioniert die Art und Weise, wie modulare Multilevel-Konverter in Mittelspannungsantrieben betrieben werden. Dank des Quasi-Zwei-Level-PWM-Betriebs kann die Kapazität der installierten Module in den modularen Multilevel-Zellen um mehr als eine Größenordnung reduziert werden. Dies ist ein großer Vorteil, wenn man bedenkt, dass die großen Kondensatoren der konventionell betriebenen modularen Multilevel-Umrichter in der Regel den Hauptnachteil dieser Topologie darstellen. Der Quasi-Zwei-Level-PWM-Betrieb hat somit das Potenzial, die Größe der Zellen, den Platzbedarf des Umrichters und die Produktionskosten deutlich zu reduzieren. Die meisten Vorteile der modularen Multilevel-Umrichter, wie Modularität, Spannungsskalierbarkeit, mögliche Redundanz und auf die Zellen beschränkte Kommutierungsschleifen, bleiben erhalten. Ohne die Notwendigkeit, teure Hochspannungs-Halbleiterschalter oder Ausgangsfilter zu verwenden, eröffnet die Innovation einen Weg für kostensensitive Anwendungen z.B. in Mittelspannungsantrieben.

In seiner Arbeit hat Jakub Kucka die Hauptprinzipien der Funktionsweise entwickelt, die Designkompromisse und Betriebseigenschaften untersucht und eine neuartige Steuerung abgeleitet und implementiert. Er hat die vorgeschlagene Regelung in einem herunterskalierten Umrichterprototyp mit sehr geringer Zellenkapazität implementiert, um das Konzept zu belegen und die Vorteile des Quasi-Zweistufen-PWM-Betriebs experimentell zu validieren.

In der praktischen Anwendung bietet der IGBT 7 somit eine geringere Verlustleistung oder eine erhöhte maximale Ausgangsleistung und Leistungs-dichte. Dies führt zu niedrigeren Sys­temkosten. Bei den Motorantrieben wird der IGBT 7 zunächst in konventionellen Antriebs-Topologien eingeführt: CIB (Converter-Inverter-Brake, Gleichrichter-Wechselrichter-Brem­schopper), Sixpack und Halbbrücke. Für Umrichter kleinerer und mittlerer Ausgangsleistung sind MiniSKiiP und SEMITOP E1/E2 verfügbar. Für höhere Leistungsklassen ist der IGBT 7 in den Ausführungen SEMiX 3 Press-Fit und SEMiX 6 Press-Fit erhältlich. Weitere Modulty­pen folgen.

Eine Lösung besteht darin, die Spannung in Richtung des Grenzwertes der Niederspannungsrichtlinie von 1000 V AC (1500 V DC) zu erhöhen. Der SEMITRANS 10 MLI ist ein 3-Level-NPC-Modul, welches die Anforderungen in Windkraftanlagen in perfekter Weise erfüllt. Der Einsatz von 3-Level-Topologien trägt dazu bei, die Wechselrichterverluste um bis zu 50 % zu reduzieren, bei gleichzeitiger Senkung der Kosten für Netzfilter um etwa 30 %. Neben geringeren Wechselrichterverlusten können auch Kabelverluste oder -durchmesser um rund 30 % reduziert werden.

Er verfügt über einen integrierten Temperatursensor sowie über gegenüber-liegende DC- und AC-Leistungsanschlüsse. Im Vergleich zu konventionellen Modulen ist die Streuinduktivität um bis zu 75 % reduziert, wodurch eine höhere Betriebssicherheit und einfache Parallelschaltung ermöglicht werden. Das neue SEMITRANS 20-Traktionsmodul zeichnet sich durch eine bis zu 3-fach längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Traktionsmodulen aus. Dies wird durch den Einsatz modernster Technologien wie gesinterter Chips und AlCu-Bondverdrahtung erreicht. Das standardisierte Gehäuse erfüllt die steigenden Anforderungen an geringere Kosten, höhere Wirkungsgrade und Langlebigkeit der Leistungselektronik in Industrie, Verkehr und Infrastruktur.

Die dritte Generation ist ein Plattformkonzept für Standardumrichter oder Designs nach Kundenspezifikation. Der Kundencontroller kann leicht in den SKAI 3 LV integriert werden, was ein schnelles und einfaches Design ermöglicht und die Kontrolle beim Kunden lässt.

Zusammenfassung:

André Haspel und Urs Boehme haben eine innovative Schaltungstopologie für einen quasi-isolierten Umrichter entwickelt, die es ermöglicht, zwei HV-Systeme mit unterschiedlichen Luft- und Kriechstrecken zu kombinieren und gleichzeitig die symmetrische Verteilung der Hochspannungspotenziale in beiden HV-Systemen sicherstellt. Bei einem Isolationsfehler in einem Subsystem wird im anderen System ein sicherer Zustand ohne übermäßige Belastung erreicht. Der vorgestellte quasi-isolierte Umrichter funktioniert ähnlich wie ein Umrichter mit galvanischer Trennung, zeichnet sich aber durch eine höhere Leistungsdichte bei weniger elektronischen Bauteilen aus. Diese Innovation ist für den Einsatz in Automobilanwendungen wie beispielsweise Hochspannungsladern konzipiert.

Johan Le Leslé und Rémy Caillaud entwickelten einen hochintegrierten, modularen 3,3 kW-AC/DC-Umrichter für On-Board-Batterieladegeräte. Der hocheffiziente Umrichter mit hoher Leistungsdichte basiert auf einer innovativen Fertigungstechnologie, bei der alle Komponenten einschließlich SiC-Bare-Dies, SMT-Komponenten für die Gate-Treiber und der Magnetkern für den Induktor in Leiterplatten eingebettet sind. Diese Innovation zeigt erfolgreich, wie aktive und passive Komponenten im kW-Bereich in Leiterplatten eingebettet werden können.

Der SEMIKRON Young Engineer Award 2019 geht an Andreas Bendicks

von der Technischen Universität Dortmund für seine Arbeit mit dem Titel „Aktive Unterdrückung der elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Systemen durch Injektion synthetisierter und synchronisierter Löschsignale" unter der Leitung von Prof. Stephan Frei.

Zusammenfassung:

Die aktive Rauschunterdrückung ist ein vielversprechender Ansatz zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen (EMV). Vorhandene aktive EMV-Filter haben jedoch den Nachteil von unvermeidlichen Verzögerungszeiten, da sie ein Löschsignal einspeisen, das aus einem Messsignal stammt. Diese Verzögerungszeiten beschränken den unterdrückbaren Frequenzbereich und die erreichbare Störungsunterdrückung. Um dieses Problem zu lösen, nutzt Bendicks in seiner Lösung synthetisierte Löschsignale. Da es sich um künstlich erzeugte Signale handelt, gibt es keine systembedingte Verzögerung. Gleichzeitig können nachteilige Effekte wie Phasenverschiebungen oder Größenveränderungen kompensiert werden. Einzige Voraussetzung ist, dass das Löschsignal mit der Leistungselektronik synchronisiert werden kann, um eine destruktive Interferenz aufrechtzuerhalten. Dies kann in den meisten digital gesteuerten Systemen erreicht werden.