Leistungselektronik

Aufgabe

Die allgemeine Aufgabe einer Leistungselektronik ist die Dosierung und Kontrolle des Energieflusses zwischen einer Quelle (speisendes System) zu einer Senke (gespeistes System). Dabei ist das speisende System definitionsgemäß immer das System, von dem die Energie in das sogenannte gespeiste System übertragen wird. Der Vorgang ist stark vereinfacht in Abbildung 1 dargestellt.

Im Fall des Karts hat die Leistungselektronik also die Aufgabe die von den Batterien über den Zwischenkreis bereitgestellte Energie den Motoren passend zuzuführen. Dabei setzt sich eine Leistungselektronik im Ersatzschaltbild unabhängig vom Einsatzzweck typischerweise aus einigen zentralen Elementen zusammen. Diese lauten wie folgt:

• Schaltende Ventile (z.B. MOSFETs)
• Freilaufdioden
• Induktivität
• In realen Aufbauten ein ohmscher Widerstand

In Abbildung 2 ist beispielshaft eine asymmetrische Halbbrücke dargestellt. Die schaltenden Ventile sind dabei für den Start, die Flussrichtung, und das Beenden der Energiezuführung verantwortlich. Im gezeigten Beispiel ist dabei ein Zu- oder Abführen von Energie in jeweils eine Flussrichtung möglich. Als Ventile werden üblicherweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) eingesetzt, da diese neben den sehr geringen Durchlass- und Schaltverlusten auch hohe Schaltfrequenzen ermöglichen.

Die Induktivität und der ohmsche Widerstand im gezeigten Ersatzschaltbild repräsentieren den später zu versorgenden Verbraucher. In diesem Fall entspricht dies der Wicklungsinduktivität sowie ohmschen Verlusten des Motors. Nach dem Beenden der Energiezufuhr (Speisen) bleibt schließlich ein zur Größe der Lastinduktivität proportionaler Strom zurück, der in den Freilaufdioden abgebaut werden muss (Freilauf). Alternativ kann die Energie aktiv aus dem System entnommen werden (Rückspeisen).

Aufbau

Das Kart ist im Moment mit zwei BLDC-Motoren (Brushless DC Motor, dt.: Bürstenlose Gleichstrommaschinen) ausgestattet. Daneben soll für die Zukunft auch die Möglichkeit bestehen, die BLDC-Motoren durch zwei geschaltete Reluktanzmaschinen (SRM) zu ersetzten. Die beschriebene Leistungselektronik befindet sich wie in Abbildung 3 und 4 gezeigt im hinteren Bereich des Karts zwischen den beiden Antriebsmotoren. Dabei wird je Motor eine eigenständige Leistungselektronik verwendet.

Die Anforderungen an die Leistungselektroniken ergeben sich dabei aus der Batteriespannung von rund 55V und dem maximal möglichen Motorstrom von 300A. Für den Betrieb, der im Stern verschalteten BLDC werden je Motor drei Phasen benötigt, die von der LE bereitgestellt werden müssen. Hier bietet es sich also an, zwei dreiphasige Wechselrichter, die aus je 3 Halbbrücken aufgebaut sind, zu verwenden.

Im Gegensatz dazu würde eine SRM sechs Halbbrücken, bzw. drei Vierquadrantensteller benötigen. So wäre es später beispielsweise denkbar, je Motor zwei der Leistungselektronik Module parallel zusammen zu schalten, um damit die benötigten sechs Halbbrücken zur Verfügung zu stellen.

Die Basis für die schließlich realisierte Leistungselektronik stellt ein 3-phasiges Wechselrichtermodul der Firma Mitsubishi dar. Dieses MOSFET-Modul ist intern aus drei unabhängig ansteuerbaren Halbbrücken aufgebaut, die über einen nach außen geführten Stecker angesprochen und gesteuert werden können.

Eingangsseitig wird die von den Batterien bereitgestellte Versorgungsspannung durch einen Zwischenkreis stabilisiert. Dabei verfügt jede LE über ihren eigenen Zwischenkreiskondensator, der möglichst nah an den Eingangsklemmen des Moduls angebracht wurde. Die Technischen Daten der MOSFET-Module und Kondensatoren sind folgend aufgelistet.

Die beiden MOSFET-Module sind direkt auf den Kühlkörper aufgeschraubt und schließen auf der Seite des Zwischenkreises bündig mit dem Kühlkörper ab. Neben dem Kühlkörper, ist der beschriebene Zwischenkreis aufgebaut.

Die elektrische Verbindung zwischen dem Modul und den Zwischenkreiskondensatoren wird durch großflächige Kupferplatten möglichst induktionsarm hergestellt. Dazu ist direkt auf dem Modul eine Snubber-Platine angebracht, die mit dem darauf befindlichen Snubber-Netzwerk zusätzlich das Schaltverhalten des Moduls verbessern soll. Die Kondensatoren sind mit zwei aufeinanderliegenden, voneinander isolierten Kupferplatten stirnseitig an die Snubber-Platine angeschraubt.

In Abbildung 5 ist der prinzipielle Aufbau der Leistungselektronik dargestellt. Links zu sehen sind die Kondensatoren (dunkelgrau), darüber die beiden voneinander isolierten Kupferlagen (rot und blau). Diese sind an die Snubber-Platinen (grün), die auf den Modulen (schwarz) sitzen, angeschlossen. Darunter befindet sich der Kühlkörper (grau) mit den beiden Lüftern.

Die Kontrollstecker (weiß) der beiden Module werden von den Snubber-Platinen nicht verdeckt und damit von oben zugänglich gemacht. Darauf werden die selbst entwickelten Steuerplatinen aufgesetzt, die im Folgenden beschrieben werden. In Abbildung 6 ist die Leistungselektronik mit aufgesetzter Steuerplatine dargestellt.

Die entwickelte Steuerplatine empfängt die Schaltsignale der Signalelektronik und leitet sie nach passender Aufbereitung an zugekaufte Gate-Treiber weiter, die sich auf der Steuerplatine befinden. Diese steuern über die weißen Kontrollstecker des Moduls die Gates der einzelnen Halbbrücken. Auf die sechs in Abbildung 6 nach rechts ragenden Kupferfinger, werden zur Stromerfassung noch Stromwandler aufgeschoben. Die erfassten Signale werden wieder zur Signalelektronik geleitet, sodass Soll- und Ist-Werte verglichen werden können. An die Kupferfinger wird schließlich die zu betreibende Maschine angeschlossen. Um die Sicherheit zu verbessern, werden von der Platine neben dem Motorstrom, auch die Temperatur der Module, des Kühlkörpers und Fehlersignale der Treiber erfasst. Die fertig aufgebaute Leistungselektronik ist in Abbildung 7 gezeigt.