IGBT & Thyristor: Leistung für Stoßstromanlagen bis 35 kA
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
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
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
LEISTUNGSELEKTRONIK // IGBT & THYRISTOR figurierbaren Eingabe- und Ausgabe-Modu- 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
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 sentieren die Parameter einer voll ausgebau- Sie von ausgewählten Experten aus Ihrer Branche. Buchen ten Version nach aktuellem Stand. Kleinere Sie jetzt Ihr Seminar! Praxisnah! Qualitativ! Vernetzend! oder größere Varianten lassen sich nach Kundenwunsch entwickeln. // KU www.b2bseminare.de GvA Leistungselektronik ist eine Marke der
Sie können auch lesen