Michael Schober,
"Einsatz von Wide-Bandgap Halbleitern in hochintegrierten lagerlosen Antrieben"
, 2023
Original Titel:
Einsatz von Wide-Bandgap Halbleitern in hochintegrierten lagerlosen Antrieben
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Die Wide-Bandgap Halbleitermaterialien Galliumnitrid (GaN) und Siliziumcarbid
(SiC) versprechen viele Vorteile bei Anwendung in Leistungsschaltern gegenüber Silizium (Si). Die höhere Spannungsfestigkeit ermöglicht geringe Chipgrößen und kleinere Durchlassverluste im eingeschalteten Zustand. Gleichzeitig sind aufgrund der kleinen Chipgrößen deutlich schnellere Schaltzeiten und damit höhere Schaltfrequenzen als für Si Halbleiter zu erwarten. Die Möglichkeiten Wide-Bandgap Materialien als Leistungsschalter nutzbar zu machen werden vorgestellt, ebenso die damit verbundenen Abweichungen vom Schaltverhalten im Vergleich zu herkömmlichen Si-MOSFETs und Si-IGBTs.
In letzter Zeit sind sowohl GaN als auch SiC Leistungsschalter für verschiedene Strom und Spannungsbereiche mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von verschiedenen Herstellern auf den Markt gekommen. In dieser Arbeit sollen eine GaN-Kaskode und zwei SiC-MOSFETs mit zwei Si-IGBTs für Netzspannungsanwendungen gegenübergestellt werden.
Basierend auf den Messergebnissen bietet sich der Ersatz von Si Halbleitern durch Wide-Bandgap Modelle in bestehenden Schaltungen an. Als Optimierungsziel kann entweder eine Reduktion der Verluste bei gleichen Betriebsbedingungen oder eine
Verkleinerung der Systeme durch höhere Schaltfrequenzen unter Beibehaltung des bestehenden Wirkungsgrades angesetzt werden. In der Anwendung als sechsphasiger Antriebsumrichter, auf Basis von SiC Halbleitern für einen lagerlosen Motor, ergibt sich,
im Vergleich zum bestehenden Si-IGBT Umrichter, je nach Wahl der Schaltfrequenz, eine Reduktion der Verluste um die Hälfte bis zu zwei Drittel bei Volllast. Die Kombination von hohen Schaltfrequenzen bei gleichzeitig niedrigen Durchlassverlusten ermöglicht auch den wirtschaftlichen Aufbau von bisher aufwändig umsetzbaren Topologien, wie der aktiven Totem-Pole Leistungsfaktorkorrektur (PFC). In dieser Arbeit wird eine Totem-Pole PFC mit SiC-MOSFETs als Funktionsmuster aufgebaut, vermessen und mit bestehenden Topologien verglichen. Strengere Normen bezüglich Netzqualität erfordern eine immer geringere Netzrückwirkung von Leistungselektroniken bei gleichzeitig steigenden Wirkungsgraden, um die eingesetzte Energie möglichst
effizient zu nutzen. Die Stromversorgung mit aktiver Totem-Pole PFC erreicht in den Messungen sehr hohe Wirkungsgrade bis zu 98,5% bei gleichzeitig minimaler Netzrückwirkung
Forschungs-