PDF-Ausgabe herunterladen (28.7 MB) - elektronik industrie

Leistungselektronik
Bild 3: Vier IGBTs entsprechen den in Bild 2 eingegebenen Kriterien. Sie sind
nach der Betriebs-Sperrschichttemperatur klassifiziert – ein Wert, der eng
mit dem Wirkungsgrad verbunden ist.
Bild 4: Die in Bild 2 dargestellten Eingaben wurden verändert; selektiert
werden oberflächenmontierte IGBTs. Ausgegeben werden Bausteine, die
wahrscheinlich weniger teuer sind als die in Bild 3 gezeigten.
Bilder: International Rectifier
Bild 2: Der Evaluierungsprozessor verwendet die in diesen Bildschirm
eingegebenen Informationen, um die Bausteine auszuscheiden, welche die
vorgeschriebene Sperrschichttemperatur unter den spezifizierten Betriebsbedingungen
überschreiten.
von 4-Unzen-Kupfer kann die Kosten der Materialliste etwas senken.
Die Auswirkungen auf Verluste und Temperatur lassen sich
überprüfen, indem man zum Bausteinauswahlwerkzeug zurückkehrt,
den Wärmewiderstand von 40 °C/W auf angenommen 50
°C/W erhöht und sich die Ergebnisse erneut vornimmt.
Dieses Beispiel zeigt, wie sich das jüngste Release dieses Web-
Tools als Hilfe für Entwickler bei der Bewertung der Gesamt-Performance
ihrer Stromversorgungssysteme sowie der Optimierung
der Entwicklungen hinsichtlich Kosten, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit
als effektiver erweist.
Tools der Zukunft
Nach wie vor können die derzeit modernsten Web-basierten Leistungs-Design-Tools
noch weiter verbessert werden. IR hat dabei
zwei Schlüsselbereiche für die Weiterentwicklung ausgemacht. Der
eine besteht darin, eine noch repräsentativere Berechnung der Tastverhältnisse
und Verluste des Wandlers zu erreichen. Im Schaltbild
von Bild 6 sind die Verluste für einen Abwärtswandler berechnet,
der mit einem Tastverhältnis von 50 Prozent im Continuous-Current-Mode
arbeitet. Dabei sperrt die zusammen mit dem IGBT im
Gehäuse untergebrachte Diode. Die Komplementärdiode hingegen
ist leitend, und ihre Verluste werden nicht berechnet. Die für den
Bild 6: Die
Strom-vs.-Frequenzkurve
vermittelt einen
Schnappschuss
der Leitungs- und
Schalt-Performance
und
erleichtert dadurch
den Vergleich von
Bausteinen.
Bild 5: Eine Erweiterung der Anforderungen an die Kurzschlussfestigkeit
führt dazu, dass das Tool effizientere und kostengünstigere Bausteine
vorschlägt.
oberen Baustein berechnete Sperrschichttemperatur ist immer
noch formal richtig, weil seine Diode nicht leitet, doch ist die Berechnung
nicht repräsentativ für eine Real-Life-Anwendung, weil
das Tastverhältnis höher oder niedriger sein könnte und sich die
Verluste dementsprechend verändern.
Um diese Einschränkung zu überwinden hat IR mit der Entwicklung
von anwendungsspezifischen Tools begonnen. Dadurch
können eine Reihe von zusätzlichen Faktoren mit in die Betrachtung
einbezogen werden, zum Beispiel die Auswirkungen unterschiedlicher
Modulationsstrategien oder, dass ein IGBT in einem
Motorantrieb nur während eines halben Zyklus des Motorstroms
leitet und seine Diode die andere Hälfte durchlässt. Ein speziell für
Motoren entwickeltes Tool würde all diese Faktoren mit berücksichtigen,
ohne dabei die Wärmeumgebung zu vernachlässigen. Es
würde das Tastverhältnis auf Grundlage des vom Anwender eingegebenen
Modulations-Index und Leistungsfaktors errechnen.
Die zweite Verbesserung beschäftigt sich damit, dass sich die
Wärmeumgebung mit Wärmewiderstandszahlen nicht sauber charakterisieren
lässt, weil Wärme nicht linear von Punkt zu Punkt
fließt, sondern sich – getrieben durch die Temperaturdifferenz – in
alle Richtungen ausbreitet. So etwas wie eine „Kühlkörpertemperatur“
oder eine „Sperrschichttemperatur“ gibt es nicht; stattdessen
finden eine Temperaturverteilung auf der Oberfläche einer
Sperrschicht sowie eine dreidimensionale Temperaturverteilung
innerhalb eines Kühlkörpers statt.
Die Analyse-Tools, die zur genauen Modellierung einer Wärmeumgebung
benötigt werden, stehen bereits in Form von FEA-Engines
zur Verfügung, die in das Tool eingebettet werden können. Die
Herausforderung besteht darin, geeignete Kühlkörpermodelle zu
schaffen.
Derartige Modelle werden in besonders anspruchsvollen Bereichen
entwickelt, so etwa für den Kraftfahrzeugsektor. Der weitere
Weg besteht darin, diese Modelle zu standardisieren und sie für
allgemeine Applikationen besser nutzbar zu machen. (jj) n
Der Autor: Steve Clemente ist Senior Technologist bei International Rectifier.
42 elektronik industrie 05/2013
www.elektronik-industrie.de