Hochausnutzung von Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren in Traktionsumrichtern

Mit zunehmendem technologischen Fortschritt und der Verfügbarkeit in höheren Spannungsklassen werden SiC-MOSFETs immer attraktiver für Traktionsapplikationen. Ein Austausch der bisher im Traktionsumrichter vorwiegend eingesetzten Si-IGBTs verspricht, die Effizienz zu erhöhen, Bauraum zu sparen und das Gewicht zu reduzieren. Ungeklärt ist, wie hierbei das Potenzial der SiC-Halbleiterbauelemente höchstmöglich ausgenutzt und ein sicherer Betrieb gewährleistet werden kann.

Aufbauend auf den halbleiterphysikalischen Grundlagen werden in dieser Dissertation die fundamentalen Fragen zur optimalen Ansteuerung, Schutz und Robustheit der neuen Halbleiterbauelemente in den Umgebungsbedingungen des Traktionsumrichters beantwortet. Die Schaltvorgänge werden unter Einhaltung der Bauelementgrenzen optimiert. Hierbei wird neben messtechnischen Untersuchungen ein generisches SiC-MOSFET-Simulationsmodell vorgestellt und als Hilfsmittel verwendet. Zusätzlich werden die Kurzschlussfestigkeit der Halbleiterbauelemente untersucht und die möglichen Fehlerfälle im Traktionsumrichter hergeleitet, worauf ein auf die Eigenschaften der SiC-MOSFETs angepasster Kurzschlussschutz entworfen und evaluiert wird. Nachdem die Freilaufdioden im Traktionsumrichter, auf eine erfolgreiche Fehlerabschaltung folgend, Stoßstrombelastungen standhalten müssen, wird schließlich die Stoßstromrobustheit der internen Bodydiode untersucht und den bisher verwendeten Freilaufdioden gegenübergestellt.