3 Uebung Kuehlung - Wintersemester PDF

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Wintersemester...

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Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen Prof. Dr.-Ing. R. Mallwitz

GRUNDSCHALTUNGEN DER LEISTUNGSELEKTRONIK ÜBUNG

Inhalte:  Grundlagen der Verlustleistungsberechnung

 Thermische Ersatzschaltbilder  Auslegung einer Kühlung

1

Einleitung

Bei der Entwicklung leistungselektronischer Schaltungen stellt die Auslegung bzw. Dimensionierung einer geeigneten Kühlung eine grundsätzliche Anforderung dar. Dabei ist die Vorgehensweise im Wesentlichen immer ähnlich:  Zunächst ist für die Schaltung der Betriebspunkt festzulegen, der für die Auslegung der Kühlung dimensionierend ist. Dies ist in der Regel der stationäre Betrieb mit Nennleistung. Für transiente Überlastbetrachtungen kann manchmal auch die Betrachtung eines Betriebspunktes mit kurzzeitig höherer Leistung erforderlich sein.  Für diesen Betriebspunkt ist die entstehende Verlustleistung zu berechnen. In diese Verlustleistungsberechnung fließen auch die unterschiedlichen Schalt- und Durchlasseigenschaften der verwendeten Leistungshalbleiter (IGBT, MOSFET, Diode, ...) ein.  Basierend auf der ermittelten abzuführenden Verlustleitung ist ein thermisches Ersatzschaltbild zu erstellen, in dem alle wesentlichen Verlustquellen und thermischen Widerstände berücksichtigt werden. Sollen auch dynamische Überlastzustände betrachtet werden, sind auch thermische Kapazitäten zu berücksichtigen.  In dem thermischen ESB sind auch die Eigenschaften des Kühlkörpers zu berücksichtigen, der für die Wärmeabfuhr vorgesehen ist.  Nach Vorgabe der thermischen Randbedingungen (Umgebungstemperatur, Kühlmitteltemperatur, zulässige Maximaltemperatur im Leistungshalbleiter, ...) kann anhand des thermischen ESB die Eignung des gewählten Kühlkörpers überprüft werden. Diese Vorgehensweise wird in dieser Übung am Beispiel eines IGBT-Wechselrichters exemplarisch durchgeführt.

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Grundlagen der Verlustleistungsberechnung

Alle leistungselektronischen Bauelemente, also insbesondere auch Leistungshalbleiter weisen bestimmte nichtideale Eigenschaften auf, die zu Verlusten führen. Diese Verlustenergie äußert sich stets in einer Erwärmung des jeweiligen Bauteils. Die Berechnung der Verlustleistungen für die einzelnen Bauelemente ist eine der zentralen Aufgaben bei der Auslegung einer leistungselektronischen Schaltung.

2.1

Verlustleistung einer IGBT-Halbbrücke

Anhand der Betrachtung einer IGBT-Halbbrückenschaltung soll die Entstehung der Verluste im Folgenden erläutert werden. Entsprechend Abbildung 2.1 kann die betrachtete Halbbrücke dabei sowohl als Teil eines 4Quadrantenstellers zur Speisung jeweils eines Stranges einer Maschine (Abb. 2.1 oben) oder in einer B6-Brücke zur Speisung einer 3-phasigen Motorwicklung mit Sternpunkt verwendet werden.

2

Gleichspannungszwischenkreis

IGBT-Pulswechselrichter Last z.B. Motor

UZK

Halbbrücke

is

(+)

iC uCE UZK

Oberschalter S1, D1

us L

is Last Unterschalter S2, D2

(-)

is UZK

Abbildung 2.1 : Halbbrücke als Bestandteil von 4Q-Steller und B6-Brücke

Bei beiden Einsatzvarianten wird der Mittelabgriff (Lastabgang L) der Halbbrücke durch abwechselndes Schließen des Oberschalters S1 und des Unterschalters S2 entweder mit dem (+) oder dem (-)-Anschluss der Zwischenkreis-Gleichspannung UZK verbunden. Wird an den Lastabgang z. B. eine Maschinenwicklung angeschlossen, kann, wie in Abbildung 2.2 dargestellt, durch Variieren der Einschaltdauern von S1 und S2 (= Pulsweitenmodulation, PWM) eine aus positiven und negativen Spannungsblöcken bestehende Spannung us angelegt werden. Wird beim Erzeugen der Spannungsblöcke (z. B. durch Sinus-Dreieck-Modulation) ein sinusförmiger Spannungssollwert us,ref verwendet, führt die resultierende blockförmige Spannung (PWM S1 und PWM S2) zu einem sinusförmigen Laststrom is. Die Induktivität der Motorwicklung begrenzt dabei zum einen den Stromanstieg und führt zum anderen dazu, dass zwischen dem Spannungssollwert us,ref und dem resultierendem Laststrom is eine Phasenverschiebung um den Winkel  entsteht. Sinus-Dreieck-Modulation

us,ref (+)

iC uCE UZK

Oberschalter S1, D1

L

is Last Unterschalter S2, D2

(-)

t

0

us

PWM S1

t PWM S2 

is( =0)

Abbildung 2.2: Erzeugung eines sinusförmigen Stromverlaufs durch Sinus-Dreieck-Modulation

3

Um die in den beiden Leistungshalbleitern S1 und S2 sowie den parallelen Dioden entstehende Verlustleistung berechnen zu können, müssen zunächst die möglichen Schaltzustände der Halbbrücke berücksichtigt werden. Betrachtet man beispielsweise den Zeitraum der positiven Stromhalbwelle, d. h. es fließt ein positiver Laststrom aus dem Lastabgang in die Maschinenwicklung, sind nur die in Abbildung 2.3 gezeigten beiden stationären Schaltzustände (Z1) und (Z2) möglich. Im Zustand (Z2) ist der Oberschalter-IGBT eingeschaltet und führt den Laststrom, der für den betrachteten Zeitpunkt den Wert Is besitzt. In diesem Zustand fällt über dem IGBT eine Durchlassspannung UCE(Is) in Abhängigkeit vom aktuellen Stromwert ab. Dementsprechend entsteht im IGBT eine Durchlassverlustleistung als Produkt vom aktuellen Kollektorstrom iC und der Durchlassspannung uCE. Die vollständige Durchlasskennlinie, d. h. uCE als Funktion des Durchlassstromes ist in Abb. 2.3 dargestellt und kann angenähert werden durch eine Schwellspannung UCE,0 und eine Widerstandsgerade.

uCE

S1

D1

(Z2)

UZK

S2

iF

DiC DuCE

UCE,0

S2

D2

Diode

Du rCE = Di CE C

Is

Is uF

D2

IGBT iC

D1

(Z1)

Is UZK

S1

Du rF = DiF F DuF

Is

uCE

UF,0

UCE(Is) = UCE,0 + rCE * Is

DiF

uF UF(Is) = UF,0 + rF * Is

Abbildung 2.3: Durchlassspannungen/-verluste von IGBT und Diode in einer Halbbrücke

Ist der Oberschalter geöffnet, kann der Laststrom bei gleicher Stromrichtung nur durch die Diode D2 des Unterschalters fließen (Zustand Z1). Analog zur vorherigen Betrachtung fallen in dieser Diode Durchlassverluste als Produkt des Diodenstroms iF und der Durchlassspannung uF an.

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Beim Wechsel zwischen den beiden Zuständen, also dem Schalt- oder Kommutierungsvorgang (K), entstehen Schaltverluste, da in dieser Zeit über den schaltenden Halbleitern hohe Spannung anliegt, während gleichzeitig der volle Strom fließt. Dies bedeutet kurze Verlustleistungsspitzen großer Amplitude. In Abbildung 2.4 sind die idealisierten Strom- und Spannungsverläufe für diese Schaltvorgänge dargestellt: Der Wechsel vom Zustand (Z1), bei dem der Laststrom durch die Diode des Unterschalters fließt, in den Zustand (Z2) wird erreicht durch das Einschalten des oberen IGBTs S1. Beim Einschalten kommutiert der Strom zunächst auf den einschaltenden IGBT, bevor die zuvor leitfähige Diode D2 Sperrspannung aufnimmt. Beim Abkommutieren des Stromes von der Diode treten zusätzlich noch Verluste durch den sogenannten Rückwärtserholstrom der Diode auf. Beim Ausschalten des IGBT, also dem Wechsel vom Zustand (Z2) in den Zustand (Z1), muss der ausschaltende IGBT S1 zunächst Sperrspannung aufnehmen, bevor die Diode D2 den Strom übernimmt. In Abbildung 2.4 ist zusätzlich noch die Verlustleitung Pv als Produkt von Strom durch den Halbleiter und der Spannung über dem Halbleiter dargestellt. Integriert über ein Zeitintervall können so die einzelnen Verlustenergien Eon und Eoff für die Halbleiter ermittelt werden.

(Z1)

(K)

(Z2)

(Z1)

(K)

iC UZK

S1

D1

(Z1)

UZK Is

uCE

Is uF

S2

t2

t0

D2 UZK Is

IGBT S1

iF

t4

uF Diode D2

trr

uCE S1

Îrr

D1

(Z2)

Is UZK

S2

t1

Qrr

t3

t4

Einschalt- Ausschaltverluste verluste Diode IGBT

Pv

t

t5

D2

Eon,T t0

Eoff,D t2

t

t5

Ausschaltverluste IGBT Durchlassverluste IGBT

Durchlassverluste Diode

Eoff,T t4

t5

t

Abbildung 2.4: Prinzipielle Strom- und Spannungsverläufe einer IGBT-Halbbrücke bei induktiver Last

5

In Abbildung 2.5 sind die gemessenen realen Schaltverläufe für den IGBT-Oberschalter einer Halbbrücke dargestellt. Bei diesen Messungen betrug die Zwischenkreis-Gleichspannung UZK ca. 520 V und der Laststrom im Schaltaugenblick ca. 100 A. Im Unterschied zu den idealisierten Verläufen aus Abbildung 2.4 ist erkennbar, dass der Strom durch den IGBT beim Ausschalten nicht linear bis auf Null absinkt, sondern noch einen sogenannten Tail- bzw. Schweifstrom am Ende des Schaltvorgangs besitzt. Dieser - im dargestellten Beispiel relativ lange Tailstrom - ist abhängig von der Dotierung des IGBT.

150

Einschalten IGBT

300

100

Pv

iC

Pv [kW]

uCE [V]

uCE

450

iC [A]

200

600

50

150

Eon,T 0

0

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

t [µs]

2,0

700

200

Ausschalten IGBT

150

500

iC

400

100 300

Pv

200 100

ttail

50

iC [A]

uCE

Pv [kW]

uCE [V]

600

Eoff,T

0

0 0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

t [µs] Abbildung 2.5: Gemessener Aus- und Einschaltvorgang eines IGBT bei induktiver Last

6

2.2

Verlustleistungsberechnung für einen IGBT-Wechselrichter

Im Folgenden soll die Berechnung der Verlustleistung beispielhaft für einen Antriebswechselrichter durchgeführt werden. Für den Leistungsteil wird, wie in Abbildung 2.6 dargestellt, ein IGBT-Modul in B6-Konfiguration, also bestückt mit jeweils sechs IGBTs und antiparallelen Freilaufdioden, verwendet.

is1

M

UZK

Abbildung 2.6: IGBT-Antriebswechselrichter in B6-Konfiguration

Zur analytischen Verlustleistungsberechnung wird für einen angestrebten stationären Betriebspunkt das Produkt aus Strom und Spannung über einem Halbleiterbauelement während einer Periode der Ausgangsgrundwelle integriert. Für Durchlass- und Schaltverluste können folgende Formeln zur Berechnung der mittleren Verlustleistungen anhand von typischen Datenblattparametern bestimmt werden: Pv,d,IGBT

Pv,d,DIODE

2 2  is is  is is 1    U CE,0   rCE    m  cos   U CE,0   rCE    2  4  8 3    2 is is 1     U F,0   rF   2  4 

Pv,s,IGBT  Pv,s,DIODE 

1



   

2   i i    m  cos    U F,0  s  rF  s    8 3    

 fPWM   E on,nenn  Eoff,ne nn  

is I nenn



U ZK U nenn

 i  U  fPWM  Err,nen n  0,45  s  0,55    ZK   2  U nenn Inenn  1

In diesen Formeln wird berücksichtigt, dass die in den Datenblättern angegebenen Verlustenergien der Leistungshalbleiter für nur einen einzigen Stromwert (Inenn) und einen konstanten Sperrspannungswert (Unenn) gelten. Diese Werte stellen Normierungsgrößen dar, die noch über entsprechende Faktoren mit den Größen des aktuell untersuchten Betriebspunktes ( iˆs , UZK) verknüpft werden müssen.

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Gegeben: Datenblattparameter für das IGBT-Modul FS450R12KE3 von Eupec/Infineon Durchlassspannung IGBT

Durchlassspannung Diode

uGE=15 V, Tj=125 °C

uGE=0 V, Tj=125 °C

UCE,0

0,9 V

rCE

2,44 mΩ

UF,0

0,8 V

rF

1,89 mΩ

Einschaltverlustenergie

IC=450 A, UCE=600 V, Tj=125 °C

Eon

33 mJ

Ausschaltverlustenergie

IC=450 A, UCE=600 V, Tj=125 °C

Eoff

65 mJ

Schaltverluste Diode

IF=450 A, UCE=600 V, Tj=125 °C

Err

38 mJ

Innere Wärmewiderstände

pro IGBT

Rth,jc,IGBT

0,06 K/W

pro Diode

Rth,jc,DIODE 0,10 K/W

pro Modul

Rth,cs

Übergangswärmewiderstand

0,005 K/W

Angestrebter Betriebspunkt: Zwischenkreisspannung

UZK

800 V

Ausgangsstromamplitude

îs

450 A

Schaltfrequenz

fPWM

8 kHz

Modulationsgrad

m

0,9

Leistungsfaktor

cos(φ)

0,9

Gesucht: a) Schalt- und Durchlassverluste der IGBTs und Dioden einer B6-Brückenschaltung b) Wechselrichterwirkungsgrad im angestrebten Betriebspunkt

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zu a) Verlustleistungsberechnung der einzelnen Halbleiter:

zu b) Wirkungsgradberechnung:

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3

Thermisches Ersatzschaltbild

Zur thermischen Auslegung können Ersatzschaltbilder mit elektrischer Symbolik entworfen werden, die das thermische Verhalten eines Systems beschreiben. Im thermischen Ersatzschaltbild werden Leistungen durch Ströme und Temperaturen durch Spannungen repräsentiert. Ein Bezugspotential kann frei gewählt werden, zum Beispiel zu 0 °C. Thermische Widerstände und Kapazitäten können entsprechend eingesetzt werden. Es gelten das Ohmsche Gesetz sowie Knoten- und Maschenregeln. Gegeben: Schichtenaufbau eines IGBT-Moduls

Rth,jc,IGBT

Rth,jc,DIODE

Rth,cs Rth,sa

Typische Indizes in thermischen Ersatzschaltbildern: j

junction

Sperrschicht

c

case

Gehäuse/Modulbodenplatte

s

sink

Kühlkörperoberfläche

a

ambient

Umgebung/Kühlmittel

Kennlinie eines Flüssigkeitskühlkörpers

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Bonddraht IGBTs/Dioden Lot Kupfer Keramiksubstrat Kupfer Lot Modulbodenplatte Wärmeleitpaste Kühlkörper

Gefragt: a) Zeichnen und beschriften Sie das statische thermische Ersatzschaltbild des IGBTModuls! b) Berechnen Sie die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Kühlkörper! c) Bestimmen Sie den maximalen thermischen Widerstand eines Kühlkörpers für eine Kühlmitteltemperatur von 40 °C! d) Bestimmen Sie den benötigten Volumenstrom im Wasserkühlkörper!

a) Thermisches Ersatzschaltbild

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b) Temperaturdifferenzberechnung:

c) Berechnung des maximal zulässigen Wärmewiderstands des Kühlkörpers:

d) Benötigte Durchflussrate:

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