Die steigende Nachfrage nach regenerativer Energie in urbanen Räumen sorgt für eine immense Belastung des vorhandene Wechselstromnetzes. Die Hochspannungsgleichstromübertragung sorgt hier für eine verlustarme Energieübertragung über lange Strecken und ermöglicht damit eine dezentrale Energieversorgung. Sie wird eine zentrale Rolle in der zukünftigen Energieübertragung spielen. Der Modulare Multilevel Konverter fungiert dabei als Schnittstelle zwischen Gleich- und Wechselspannungsnetz.
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Effizienzerhöhung bzw. der Reduktion der elektrischen Verluste im Betrieb eines Modularen Multilevel Konverters. Die Halbbrücke ermöglicht dabei die höchste Leistungsübertragung in Bezug auf die verbaute Halbleiterfläche und bildet in dieser Arbeit den zentralen Untersuchungsgegenstand. Während des regulären Betriebs liegt eine stärkere Belastung der unteren Halbleiter in der Halbbrücke vor, welche sich zwischen den Anschlusslaschen befinden. Untersucht wird der parallele Betrieb einer Scheibenzellendiode zur vorhandenen Moduldiode und die vollständige Substitution dieser mittels eines Verlustleistungsmodells, welches die mittleren Verluste eines Submoduls in Abhängigkeit der Übertragungsleistung und des Lastwinkels beschreibt. Mit Hilfe neuartiger Scheibenzellendioden und optimierten Schaltvorgängen können die Gesamtverluste beim Einsatz gleicher Chipfläche um ca. 20 % reduziert werden. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist die Verwendung von Siliziumkarbid für die Hochspannungsgleichstromübertragung. Die Verluste werden hier auf Basis eines aktuellen 3300 V MOSFET für die Halb- und Vollbrücke untersucht. Zudem wird eine Abschätzung zur zukünftigen Entwicklung der Leistungsfähigkeiten von Siliziumkarbid Bauteilen gegeben. Speziell für die Hochspannungsgleichstromübertragung wird dabei auf die Frage der Sperrspannungsklasse mit der höchsten spezifischen Leistung eingegangen.
Aktualisiert: 2022-12-30
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Stand der Technik sind IGBTs und Freilaufdioden aus Silizium (Si). Jahrzehntelange Forschung hat zu einer nahezu perfekten Technologie geführt. Jedoch werden die Fortschritte hinsichtlich der Reduzierung von Schalt- und Durchlassverlusten mit jeder neuen Generation von Si-IGBTs immer kleiner. Die anfallende Verlustleistung kann jedoch signifikant mit Leistungshalbleiter-Bauelementen aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gesenkt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob und inwieweit mit diskreten SiC-Bipolartransistoren im TO-247- und SiC-Schottky-Dioden im TO-220-Gehäuse der Wirkungsgrad eines Antriebsstromrichters gesteigert werden kann.
Ein Exkurs in die Siliziumkarbid-Halbleitertechnologie am Anfang soll deren Vorteile in Hinblick auf verlustärmere Leistungselektronik aufzeigen. Die Vorteile des Halbleitermaterials Siliziumkarbid werden anhand des SiC-Bipolartransistors im Vergleich zum ersten Leistungstransistor - dem Bipolartransistor aus Silizium - herausgearbeitet.
Beim SiC-Bipolartransistor muss im laststromführenden Zustand ein Steuerstrom in die Basis eingeprägt werden. Damit erhöht sich der Treiberaufwand. Deshalb wird der erste Themenschwerpunkt auf den Treiber gelegt. In dieser Arbeit wurden ein einfacher und ein komplexer Treiber aufgebaut und evaluiert. Mit leichten Modifikationen wurden mit dem komplexeren Treiber auch IGBTs und SiC-MOSFETs für Vergleichsmessungen angesteuert. Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Treiberverlustleistung im Wechselrichter mit SiC-Bipolar-Transistoren wird vorgestellt. Er setzt beim Kommutierungsalgorithmus des Wechselrichters an.
Ein wesentlicher Teil der Arbeit widmet sich der Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors, insbesondere dem Schaltverhalten. Ein- und Ausschaltwärmen für verschiedene Arbeitspunkte werden ermittelt.
Am Ende der Arbeit werden experimentelle Untersuchungen an einem SiC-Wechselrichter durchgeführt. Abschließend werden die Potenziale, die mit dem Einsatz von SiC-Bipolartransistoren verbunden sind, bewertet aber auch die Grenzen aufgezeigt.
Aktualisiert: 2022-08-25
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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.
Aktualisiert: 2020-12-26
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