IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA

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IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA
LEISTUNGSELEKTRONIK // IGBT & THYRISTOR

                    IGBT & Thyristor: Leistung
                 für Stoßstromanlagen bis 35 kA
                                 Das Prüfen von Sicherheitselementen unter Kurzschluss ist wichtiger
                                 Sicherheitsaspekt beim Entwickeln neuer E-Fahrzeuge und erfolgt mit
                                  der Stromstoßanlage. Ihre IGBTs unterliegen hohen Anforderungen.

                                                                             MICHAEL ROST *

     D
               ie Spannungen von Traktionsbatteri-           die den Energiespeicher sehr zuverlässig           menarbeit Pulsstromquellen für bis zu 35 kA.
               en in Elektrofahrzeugen liegen heute          trennen, bevor sich stromführende Teile in         Diese Kooperation vereinigt die jahrelange
               typischerweise im Bereich von 400             ihrer Form verändern und Kontaktierungen           und solide Erfahrung von GvA für Leistungs-
       bis 800V und können in Zukunft Werte von              bilden können. Angenommen, es tritt durch          elektronik, Hochstrom-Design und Anlagen-
       1500 V anstreben, da mit höherer Spannung             den Crash dennoch ein Kurzschluss im Fahr-         fertigung und IRS für Software, Sicherheits-
       eine höhere Leistung bei geringeren Verlus-           zeug auf, müssen Ströme von mehreren Ki-           und Messtechnik.
       ten erreichbar ist. Die Energien in diesen            loampere zuverlässig getrennt werden. Dies
       Speichern sind enorm und können im Feh-               erfolgt z.B. mit Hilfe von sogenannten Pyro-         Definition der Eigenschaften
       lerfall erheblichen Schaden anrichten. Si-            sicherungen, die die elektrische Verbindung          und Anwendungsfälle
       cherheitseinrichtungen in Elektrofahrzeu-             durch eine kleine Sprengung aufheben, ähn-            Der Prüfbetrieb fordert Spitzenströme wie
       gen gewährleisten, dass die hohen Spannun-            lich den im Automotive-Bereich üblichen            erwähnt bis zu 35 kA und Spannungen bis
       gen und Energien in den Hochvolt-Batterien            Zündpillen von Airbags. Pyrosicherungen            1500 V. Die im Prüfverlauf angewandte Puls-
       keine Personen gefährden – weder Fahrer,              sind ein sicherheitsrelevantes Bauteil und         dauer beträt ca. 5 ms bei einem Strom von
       Mitfahrer oder Ersthelfer im Falle der Rettung        müssen deshalb intensiv geprüft werden.            30 kA. Zur Anwendung kommt eine Einzel-
       nach einem Unfall.                                       Um das Auslöseverhalten einer solchen           schuss- oder optional die Multischuss-Funk-
         Selbst im Falle eines Crashs muss sicher-           Komponente unter simulierten Kurschluss-           tion mit IGBT-Leistungshalbleitern.
       gestellt sein, dass keine gefährliche Span-           Bedingungen nachzuweisen, ist eine Strom-             Mit den Stromstoßanlagen von GvA und
       nung an die Karosserie des Fahrzeugs ge-              quelle nötig, die einerseits für einige Millise-   IRS lassen sich verschiedene Schalteinrich-
       langt. Dafür werden Sicherungen eingesetzt,           kunden mehrere Kiloampere an Strom liefern         tungen im Automotive-Bereich prüfen. Der
                                                             kann. Darüber hinaus muss die Stromquelle          Fokus liegt derzeit klar in der Trennung von
                                                             eine realistische Batteriespannung von bis         Traktionsbatterien im Falle eines Crashs;
                                                             zu 1500 V erzeugen, während die Sicherung          aber auch Anwendungen im Energiesektor
                                                             auslöst.                                           haben ähnliche Anforderungen.
                     * Michael Rost
                     ... ist Projektleiter bei der IRS          IRS Systementwicklung und GvA Leis-                Der Einsatz der Anlagen findet sich einer-
                     Systementwicklung, Brennberg.           tungselektronik entwickeln in enger Zusam-         seits bei der Design-Validierung bei Her-
                                                                                                                stellern und Prüfinstituten. Zudem stellen
                                                                                                                      Stichprobentests in der Fertigung die
                                                                                                                       Zuverlässigkeit der Produkte mit Strom-
                                                                                                                        stoßanlagen sicher.
Bild: GvA

                                                                                                                          Ströme von 35 kA bei Spannungen
                                                                                                                       von 1500 V bedeuten eine Spitzenleis-
                                                                                                                       tung von mehr als 50 MW für kurze Zeit.
                                                                                                                      Diese Leistung kann nicht einfach aus
                                                                                                                     dem Netz entnommen werden. Weder in
                                                                                                                     einer leistungsfähigen Industrieanlage,
                                                                                                                    ganz zu schweigen aus Standard-Netz-
                                                                                                                    steckdosen in einem Labor. Die Energie
                                                                                                                   muss zwischengespeichert werden, um
                                                                                                                   später blitzschnell (verzögerungsfrei) zur
                                                                                                                   Verfügung zu stehen.
                                                                                                                      Der dafür verwendete Energiespeicher
                                                                                                                   ist ein Kondensator, der von Gleichspan-
            Bild 1:
            IRS Systementwicklung und
                                                                                                                 nungsnetzteilen auf eine vordefinierte
            GvA Leistungselektronik entwickeln                                                                  Spannung geladen wird. Der Strompuls be-
            in enger Zusammenarbeit Pulsstrom-                                                                  ginnt, wenn der Kondensator über den Prüf-
            quellen für bis zu 35 kA.                                                                           ling und einen zusätzlichen einstellbaren

       10                                                                       ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung November 2020
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LEISTUNGSELEKTRONIK // IGBT & THYRISTOR
                                                                                                                Power
                                                                                                                Devices
Bild: GvA

            Bild 2: Vereinfachtes Blockdiagramm der Stromstoßanlage.
Bild: GvA

            Bild 3: Gewaltige Kondensatorbänke von GvA puffern die benötigte Energie.

            Widerstand in Reihenschaltung entladen               spannungen im kV-Bereich sein, die durch
            wird. Ein schneller Halbleiterschalter für
            hohe Ströme definiert den Zeitpunkt der Ent-
                                                                 induktive Anteile entstehen können. Schließ-
                                                                 lich empfiehlt es sich Geräte mit Netzrück-
                                                                                                                         Du suchst einen
            ladung, während mechanische Schalter eine            speisung einzusetzen, um überschüssige                  passenden Job
            sichere Trennung während Rüst- und War-
            tungsarbeiten gewährleisten. Der Wider-
                                                                 Energie nach dem Test effizient in das Netz
                                                                 zurück zu speisen.                                      in der Elektronik-
            standswert und die Spannung legen den
            Prüfstrom fest.                                         Betrachtungen zur                                    branche?
                                                                    Pulseinheit des Prüfsystems
              Der Energiespeicher                                  Ist der Kondensator geladen, wird über die
              der Stromstoßanlage                                Pulseinheit der Strom zeitlich definiert
              Realistische Batteriespannungen liegen             in den Prüfling eingespeist. Dies erfolgt
            bereits heute im Bereich von 400 bis 800 V           zunächst über den schnellen Halbleiter-
            und werden 1500 V in der Zukunft anstreben.          schalter, der je nach Anforderung in zwei
                                                                                                                13878b

            Deshalb müssen Kondensatoren mit hoher               Versionen verfügbar ist (Bild 4).
            Spannungsfestigkeit eingesetzt werden. Wei-            Während Thyristorlösungen aufgrund
            terhin benötigen die Kondensatoren hohe              ihres Aufbaus bei Gleichspannung einen
            Kapazitäten von mehr als 1 F, damit die Span-        einmaligen Strompuls zu einem präzisen
            nung in gewissen Grenzen bleibt, während             Zeitpunkt auslösen können, ist der komple-
            der hohe Pulsstrom fließt. Solche span-              xe IGBT-Stack jederzeit ein- und wieder aus-
            nungsfesten Kondensatoren mit hoher                  schaltbar. Dies erhöht die Flexibilität des
                                                                                                                          Hier findest du ihn:
            Kapazität benötigen sehr viel Platz – je             Systems, um z.B. auch schließende Schalte-
                                                                                                                           jobs.elektronikpraxis.de
            nach Ausbaustufe zwischen drei bis acht              lemente mit Pulsstrom zu prüfen.
            Schaltschränke.                                        Der Prüfstrom wird durch die angelegte
              Um die Kondensatoren bis auf 1500 V in-            Spannung am Kondensator und einen ein-
            nerhalb weniger Minuten zu laden, werden             stellbaren Widerstand bestimmt. Verschie-
            Gleichspannungsnetzteile im Bereich 10 bis           dene Lösungen sind im Einsatz, bei denen
            50 kW eingesetzt – je nach gefordertem               konfigurierbare Widerstandsmatrizen und                              ist eine Marke der
            Schuss-Intervall. Darüber hinaus müssen die          optional auch zusätzliche Induktivitäten den
            Netzteile auch robust gegen eventuelle Über-         Innenwiderstand der Batterie nachbilden.

            ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung November 2020                          11
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                                                                                                          Bild: GvA
                                                                                                                      len. Zusätzlich können über Ethernet soge-
                                                                                                                      nannte Expansion-Chassis angebunden
                                                                                                                      werden.
                                                                                                                         Diese Plattform ermöglicht mit ihrer Kom-
                                                                                                                      bination aus Prozessor und Echtzeitbetriebs-
                                                                                                                      system und FPGA einerseits leistungsfähige
                                                                                                                      Mess- und Steuerungstechnik im µs-Bereich.
                                                                                                                      Andererseits gibt es eine nahtlose Verbin-
                                                                                                                      dung zu Windows-Systemen, um die Mess-
                                                                                                                      daten mit gewohnten Werkzeugen zu analy-
Bild 4: Halbleiterschalter von GvA im Vergleich kostengünstig vs. komplexes Timing (Thyristor links:                  sieren.
Einzelschuss, zuverlässiges Standard-Bauteil, kostengünstige Lösung; IGBT-Stack rechts: Multischuss mit                  Während Strom- und Spannungspulse mit
on/off-Funktion, komplexes IGBT-Array, für beliebiges Timing in µs-Auflösung).                                        hohen Abtastraten aufgezeichnet werden,
                                                                                                                      sind Störungen in dem rauen Umfeld hoher
                                                                                                                      Magnetfelder zu unterdrücken. Hard- und
                                                                                                                      Software von IRS stellen sicher, dass saube-

                                                                                                          Bild: GvA
                                                                                                                      re Messergebnisse der Tests zur weiteren
                                                                                                                      Verarbeitung zur Verfügung stehen.
                                                                                                                         Die Steuerung der Leistungselektronik
                                                                                                                      (mittels Thyristor oder IGBT) erfolgt galva-
                                                                                                                      nisch getrennt über die optischen Schnitt-
                                                                                                                      stellen IRS Compact-RIO. Dies garantiert,
                                                                                                                      dass das Messsystem sicher getrennt von der
                                                                                                                      Leistungselektronik platziert werden kann
                                                                                                                      und Störeinflüsse minimal bleiben. Das
                                                                                                                      Mess-System ist auch gegenüber dem Be-
                                                                                                                      dienrechner über Lichtwellenleiter galva-
                                                                                                                      nisch getrennt ausgeführt. Damit werden die
                                                                                                                      Messtechnik und die Steuerung im Bedien-
                                                                                                                      raum zusätzlich von gefährlichen Spannun-
                                                                                                                      gen räumlich getrennt.
                                                                                                                         Die Steuerung der Anlage erfolgt über ei-
                                                                                                                      nen Industrie-PC mit einer Bedienoberfläche
                                                                                                                      von IRS, die es dem Anlagenbetreuer leicht
Bild 5: Stromeinstellung über Widerstandsmatrix und/oder überwachte Steckbrücke.                                      macht, Testkonfigurationen zu erstellen und
                                                                                                                      auszuführen. Der Zustand der Anlage wird
                                                                                                                      stets visualisiert und es besteht die Möglich-
                                                                                                                      keit, die Messdaten und Kurvenformen zur
                                                                                                          Bild: GvA

                                                                                                                      weiteren Analyse weiter zu verarbeiten.

                                                                                                                        Sicherheitstechnik
                                                                                                                        der Stromstoßanlage
                                                                                                                         Nicht zuletzt ist die Sicherheit ein kriti-
                                                                                                                      sches Thema beim Betrieb von Pulsstroman-
                                                                                                                      lagen. Sicherheitssteuerungen überwachen
                                                                                                                      den Zustand von Türkontakten und -verrie-
                                                                                                                      gelungen, Isolations- und Spannungswäch-
Bild 6: Zeitgenaue Steuerung über LWL und analoge Messung.                                                            tern und steuern Türverriegelungen, Entla-
                                                                                                                      dungsschütze, Last- und Erdungs-Schalter,
                                                                                                                      um zu garantieren, dass Personen zu keinem
Ist der Widerstand vom Benutzer einfach               daten sicher erfasst werden, um später eine                     Zeitpunkt gefährdet werden. Schließlich ist
über Steckbrücken manuell wählbar, exis-              Analyse und Bewertung zu durchlaufen. Zur                       die Berührung von Spannungen von bis zu
tiert die Möglichkeit diese Verbindung op-            präzisen zeitlichen Steuerung und Messung                       1500 V lebensgefährlich. Es muss sicherge-
tisch zu überwachen, um Bedienerfehler                wird Compact-RIO von National Instruments                       stellt werden, dass die Anlage nur in Betrieb
auszuschließen.                                       in Kombination mit IRS-Modulen eingesetzt.                      ist, wenn alle Sicherheitskreise fehlerfrei
                                                         CompactRIO (kurz cRIO) bezeichnet eine                       arbeiten, Türen geschlossen und alle Anla-
  Die Mess- und Steuereinheit                         Familie von Embedded-Controllern von                            genzustände plausibel sind. Erst wenn die
  im Detail                                           National Instruments. Das cRIO besteht aus                      Energie nahezu vollständig abgebaut wurde,
  Es müssen der Leistungsteil der Strom-              einem Controller mit Echtzeitbetriebssystem                     werden alle zugänglichen Anschlüsse auto-
stoßanlage sicher gesteuert und alle Mess-            oder Windows und einem FPGA sowie rekon-                        matisch geerdet und der Zutritt zum

12                                                                         ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung November 2020
IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA
w w w. b2b s e m i n a r e . d e

                 LEISTUNGSELEKTRONIK // IGBT & THYRISTOR
Bild: GvA

                                                                                                  Unser
                                                                                                  Se
                                                                                                  Seminar-
                                                                                                  angebot für
                                                                                                  Elektronik-
            Bild 7: Bedienersoftware zur einfachen Konfiguration und Visualisierung.              Entwickler
Bild: GvA

                                                                   Bild 8:
                                                                   Sicherheitssteuerung
            Prüfraum gewährt. Dabei garantieren                    zur Vermeidung von ge-
                                                                   fährlichen Situationen.
            netzrückspeisende Stromversorgungen die
            effiziente Rückgewinnung überschüssiger
            gespeicherter Energie.
               Aber nicht nur elektrische Gefahren exis-
            tieren, vor denen Mitarbeiter und Besucher
                                                                                                                           Batterien – Grundlagen
            geschützt werden müssen. Im Fehlerfall                                                                          Leiterplatten für KFZ-
            kann ein Prüfling bersten, denn es ist zu be-                                                                      und Anwendungen
                                                                                                                                   und EMobilität
                                                                                                                          www.b2bseminare.de/132
            achten, dass in der Anlage mehr als 2 MJ
                                                                                                                         www.b2bseminare.de/1081
            (Megajoule) an Energie in einem vollgelade-
            nen System gespeichert sind. Würde nur 1%                                                           Wichtiges und richtiges Messen
                                                                                                                                        Messe
            dieser Energie in die Bewegung einer mecha-                                                         anSteckverbinder, das Rückgrat
                                                                                                                   der realen Stromversorgung
                                                                                                                                 der Elektronik
                                                                                                                     www.b2bseminare.de/1082
            nischen Komponente eines berstenden Prüf-
                                                                                                                     www.b2bseminare.de/1105
            lings umgewandelt, bekäme dieses Teil die
            Wucht eines 12-mm-Projektils. Räumliche                                                                       LED-Beleuchtung in der
            Abschottung des Prüflings und sichere Soft-                                                               Embedded  Programmierung
                                                                                                                       elektrotechnischen Praxis
            ware sind beim Betrieb einer solchen Anlage                                                                       mit modernem C++
                                                                                                                       www.b2bseminare.de/1002
            deshalb unerlässlich. Daher überwacht eine                                                                   www.b2bseminare.de/116
                                                                                                                                                                    13347

            Sicherheitssteuerung stets sowohl den Zu-
            stand der Anlage als auch den des überge-
            ordneten Prüffelds – unabhängig von der
            Software zur Bedienung der Anlage.
               Verschiedene Varianten der Stromstoßan-
                                                                                              Lernen Sie von unseren Experten!
            lagen wurden individuell entwickelt und
            gebaut. Die in der Online-Tabelle gezeigten                                      Sie wollen Ihr Know-how erweitern und auf dem aktuellsten
            Daten (Online-Artikel-Nr. 46953217) reprä-                                       Stand bleiben? Besuchen Sie unsere Seminare und lernen
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            GvA Leistungselektronik

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IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA
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