All-in-one-Konzept

Neben der Bewältigung der Herausforderungen bei der Entwicklung eines optimalen Halbleiters und Kühlsystems spielt vor allem die vollständige Produktintegration eine wichtige Rolle. ABB präsentierte nun den Sace Infinitus, eine All-in-one-Schutzlösung, die alle notwendigen Komponenten – Leistungselektronik, Mechanik, Kühlung, Steuerung, Sensorik und Kommunikation – nahtlos in einer installationsfreundlichen und kompakten Lösung integriert (Bild 4). Die Einfachheit des Designs sorgt dabei für eine Minimierung des Aufwands- und somit der Kosten, die beim Einsatz des Produkts im Vergleich zu einer komplexen und potenziell fehleranfälligeren Lösung mit mehreren Geräten entstehen. Mit dem halbleiterbasierten Leistungsschalter entfallen zudem der zusätzliche Aufwand und der Platzbedarf für einen externen Trennschalter und dessen Ansteuerung, die für den Wartungsfall erforderlich sind. Dies vereinfacht die Installation, erhöht die Sicherheit und senkt die Kosten.

Die Nutzung eines einzigen Gehäuses mit optimierten Unterteilungen für die Hauptbaugruppen sorgt nicht nur für eine kompakte Baugröße, sondern ermöglicht auch eine einfache Installation und Wartung des Leistungsschalters. Das von den ausfahrbaren Leistungsschaltern bekannte und bewährte Einschubsystem findet in den zwei Unterteilungen Verwendung. Eine umfasst die Leistungselektronik mit der integrierten Flüssigkeitskühlung und den Schnellverschlusskupplungen, die andere umfasst den Schalter für die galvanische Trennung. 

Darüber hinaus können Kommunikationsmodule aus der ABB-Ekip-Reihe eingesteckt werden, um den halbleiterbasierten Leistungsschalter auf digitaler Ebene ins System zu integrieren. Die im Leistungsschalter integrierten Spannungs- und Stromsensoren ermöglichen dabei eine kontinuierliche (Fern-)Überwachung der elektrischen Parameter einschließlich der Leistungsmessung.

Vereinfachte Kühlung

Auch wenn der halbleiterbasierte Leistungsschalter erheblich niedrigere Durchlassverluste aufweist als vergleichbare IGBT-Lösungen, sind sie mit etwa 3 kW bei einem Stromkreis mit einem Bemessungsstrom von 2 500 A nicht unerheblich. Um die Temperatur der Halbleitersperrschicht – dort treten im Betrieb die höchsten Temperaturen auf – im sicheren Arbeitsbereich (Safe Operating Area, SOA) zu halten, ist eine integrierte Flüssigkeitskühlung erforderlich. Bei einem herkömmlichen IGCT-Package dienen die Druckkontakte der Scheibenzelle neben der elektrischen Kontaktierung auch gleichzeitig als thermische Schnittstellen zur beidseitigen Kühlung des Siliziumchips. Dies hat allerdings seinen Preis, denn das Kühlsystem muss isoliert werden. Typischerweise geschieht dies mittels einer isolierenden Kühlflüssigkeit, z. B. entionisiertem Wasser bei Mittelspannungs-Motorantrieben. Doch die Kühlung mit entionisiertem Wasser kann unpraktikabel sein, da sie eine zusätzliche Vorrichtung zur Aufbereitung des Wassers erfordert.

Daher wurde eine gewichts- und platzsparende Lösung entwickelt, die ohne die Nachteile gängiger Konzepte in puncto Komplexität die richtige Isolierung und Kühlung bietet. Das daraus resultierende Kühlkonzept des halbleiterbasierten Leistungshalbleiterschalters basiert auf Aluminiumnitrid-Kühlkörpern. Diese kombinieren die gewünschte elektrische Isolierfähigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die der von Aluminium sehr nahekommt. Damit kann als Kühlflüssigkeit die bekannte Mischung aus Wasser und Glykol verwendet und auf zusätzliche Ausrüstung verzichtet werden, was neben der Platzersparnis auch die Installation und den Betrieb wesentlich vereinfacht.

Steuerung und Schutz

Das Herzstück der Steuerungs- und Schutzfunktion des halbleiterbasierten Leistungsschalters ist eine mikroprozessorbasierte Auslöseeinheit, die sowohl die herkömmlichen LSIG-Schutzfunktionen (Überlastschutz, verzögerter Kurzschlussschutz, unverzögerter Kurzschlussschutz und Erdschlussschutz) im Millisekunden und Sekundenbereich als auch einen ultraschnellen Kurzschlussschutz im Mikrosekundenbereich gewährleistet. Darüber hinaus sichert sie das wichtige Zusammenspiel der Leistungselektronik und des elektromechanischen Trennschalters. Für die ultraschnelle Strommessung – eine Voraussetzung und gleichzeitig auch Herausforderung in DC-Systemen – war die Entwicklung spezieller Stromwandler mit Hallsensoren erforderlich, deren Bandbreite groß genug ist, um Stromtransienten bis 80 A/μs zu unterscheiden.