Die Leistungsfähigkeit von SiC-IGBTs in einem AGPU-System

SiC-IGBTs können in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, von Wechselstrommotorantrieben und Dreiphasen-Wechselrichtern bis hin zu Wechselstrommotorantrieben und Dreiphasen-Wechselrichtern. Zu ihren Vorteilen zählen ein hoher Wirkungsgrad und minimale Schaltverluste, während sie gleichzeitig dazu beitragen, die Baugröße der Komponenten zu reduzieren.

Um ihre Betriebsleistung zu bewerten, haben wir ein Versuchssystem entwickelt. Die Ergebnisse zeigten, dass diese neuen Schalter die Effizienz herkömmlicher AGPU-Systeme steigern können.

Kosten

Die Kosten sind bei Anwendungen mit Leistungswandlern oft ein entscheidender Faktor. Bauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) bieten gegenüber ihren Si-IGBT-Pendants erhebliche Kostenvorteile. Aufgrund ihrer geringeren Herstellungskosten und der höheren Schaltfrequenzen, die eine bessere Leistung und Leistungsdichte als bei herkömmlichen Si-IGBTs ermöglichen, sind sie daher eine attraktive Option für hocheffiziente und schnelle Motorantriebe.

Die Auswahl einer effizienten Gate-Treiber-Schaltung ist entscheidend für die Senkung der Kosten des Wandlers. Eine gute Gate-Treiber-Schaltung sollte eine geringe Induktivität aufweisen, um Spannungsüberschwinger und Schwingungen aufgrund von Streuinduktivität zu reduzieren; außerdem muss sie hohen Strombelastungen standhalten und gleichzeitig eine ausreichende galvanische Trennung zwischen sich selbst und der Last gewährleisten.

Entwickler, die Kosten senken möchten, müssen ein optimales Gate-Treiber-Design und eine optimale Schaltfrequenz wählen. Eine optimale Frequenz sollte so niedrig wie möglich sein, ohne dass dabei sperrige Filterkomponenten erforderlich werden. Dies geht aus Untersuchungen zu SiC-IGBT- und Si-IGBT-Umrichtern bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und Schaltfrequenzen von 30 kHz und 3 kHz hervor; Bei höheren Windgeschwindigkeiten war der Wirkungsgrad bei SiC-IGBTs höher – dies wurde jedoch durch höhere Kosten und größere Bauvolumina im Zusammenhang mit SiC-IGBT-Umrichtern ausgeglichen.

Leistung

SiC-IGBT-Bauelemente zeichnen sich im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen auf Siliziumbasis durch einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte sowie geringere Bauelementverluste und Betriebstemperaturen aus, wodurch sie sich für Hochleistungsanwendungen wie Motorantriebe eignen. Um ihre Leistung zu maximieren, müssen diese Bauelemente mit höheren Schaltfrequenzen betrieben werden; daher ist es das Ziel dieses Artikels, die Leistung von SiC-IGBTs in einem AGPU-System zu untersuchen.

Die experimentellen Arbeiten umfassten die Verwendung eines 62-mm-Si-IGBT-Moduls mit 400 A und 1,2 kV, bestehend aus Zwischenkreiskondensatoren, einer Wechselrichterseiten-Induktivität, einem zwangsluftgekühlten Kühlkörper, Gate-Treiber mit Schutzlogik und Sensoren sowie Spannungs- und Strommessungen unter Verwendung von Handoszilloskopen (MICsig 200-MHz-Hand-Multifunktionsoszilloskop und Hantek UT201-Stromzange) für die Messung der Gate-Emitter-Spannung bzw. des Überschwingstroms; Die Ergebnisse zeigten, dass SiC-IGBTs kürzere Schaltzeiten aufwiesen als ihre herkömmlichen Pendants (Abbildung 4).

SiC-IGBT-Wechselrichter zeigten bei 2-A-Lasten geringe Schaltverluste. Die Analyse des transienten Verhaltens der Kollektor-Emitter-Spannung bestätigte dies ebenfalls: Der Gate-Widerstand beim Einschalten nahm mit steigendem Laststrom ab; der Gate-Widerstand beim Ausschalten stieg jedoch ebenfalls mit dem Laststrom an, was zu einem starken Überschwingstrom und einem Schwingen der Spannungskurve führte. Die Volumina passiver Bauteile wie Induktivitäten auf beiden Gitterseiten (die Volumina der gitterseitigen Induktivitäten wurden berechnet), Kondensatoren und Filter wurden alle bewertet und verglichen; diese Ergebnisse zeigten, dass der SiC-IGBT-Wechselrichter ein geringeres Gesamtvolumen aufwies als der herkömmliche Si-IGBT-Wechselrichter.

Effizienz

SiC-IGBTs in AGPU-Systemen können ihren Wirkungsgrad erheblich steigern, indem herkömmliche Si-Transistoren durch SiC-Transistoren ersetzt werden. Dies lässt sich durch eine Verringerung der Gesamtverluste des Systems und eine Erhöhung der Schaltgeschwindigkeiten erreichen, beispielsweise durch eine Verringerung der Resonanzfrequenz, eine Verlängerung der Ausschaltverzögerungszeit oder den Einsatz von Gate-Treibern mit reduzierter Streuinduktivität.

In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit von SiC-IGBT-Modulen untersucht, die in AGPU-basierten Stromumwandlungssystemen zum Einsatz kommen. Es wurden drei Versuchssysteme entworfen und aufgebaut: ein herkömmliches AGPU-System, ein Single-Pulse-Test-System (SPT) und ein Dreiphasen-Wechselrichter. Die Ergebnisse werden anschließend verglichen und analysiert, um die Unterschiede in der Betriebsleistung zwischen Si-IGBTs und SiC-IGBT-Modulen zu ermitteln.

Es wurde ein umfassender Vergleich des Schaltverhaltens von 1200-V-Si-IGBT- und SiC-IGBT-Modulen durchgeführt, wobei die Ergebnisse zeigten, dass SiC-IGBTs niedrigere Resonanzfrequenzen, einen geringeren Überschwingstrom und geringere Schaltverluste aufweisen als Si-IGBTs. Auch die Einschalteigenschaften beider Arten von Leistungsbauelementen wurden verglichen, wobei sich zeigte, dass SiC-IGBTs eine kürzere Einschaltverzögerungszeit und niedrigere Resonanzfrequenzen aufweisen als Si-IGBTs.

Bei SiC-IGBTs ist ein niedriger Gate-Einschaltwiderstand ein entscheidender Faktor für den erfolgreichen Betrieb, da das schnelle Aufladen der Gate-Emitter-Spannung kurze Ladezeiten erfordert. Externe Gate-Widerstände zum Ein- und Ausschalten müssen niedrige Induktivitätswerte aufweisen, um durch Streuinduktivitäten verursachte Schwingungen zu reduzieren und mögliche Schwingungseffekte zu verhindern.

Sicherheit

Die höheren Schaltfrequenzen von SiC-MOSFETs tragen dazu bei, Dioden- und Gate-Treiberverluste zu reduzieren und damit den Gesamtwirkungsgrad des Wandlers zu steigern. Darüber hinaus sind diese MOSFETs möglicherweise weniger anfällig für durch hochenergetische Teilchen verursachte Ausfälle, die auf drei Hauptfaktoren zurückzuführen sind – Materialtyp des Bauelements, Oberfläche des Bauelements und Spannungsbelastung –, wobei größere Bandlücken und kleinere Bauelementabmessungen sie widerstandsfähiger machen.

SiC-MOSFETs wurden im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-IGBTs (Si-IGBTs) hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit als Umrichterkomponenten untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass SiC-Bauelemente die Leistungsverluste bei einem typischen dreiphasigen SPWM-2-Level-Wechselrichter um fast das Zehnfache reduzierten; die Erhöhung der Schaltfrequenz trug zudem dazu bei, das Gewicht der Induktivitäten um 68% deutlich zu senken, was zu erheblichen Einsparungen beim Gesamtgewicht des Umrichters führte.

Diese Studie vergleicht die Komponenten eines netzgekoppelten 190-kVA-2L-VSC, der aus SiC-MOSFETs und Si-IGBTs besteht und für den Einsatz in einem 690-V-Netz ausgelegt ist, einschließlich DC-Link- und netzseitige LCL-Filterausführungen, bei denen SiC-MOSFETs als Teil eines LCL-Filterdesigns für ein 690-V-Netz verwendet werden. Der Vergleich basiert auf der experimentellen Charakterisierung des Schaltverhaltens sowie auf Datenblattwerten, die das Verhalten im eingeschalteten Zustand zeigen; SiC-MOSFETs zeichnen sich durch reduzierte Schaltverluste sowie eine geringere Strombegrenzung bei hohen Temperaturen aus, was sie ideal für industrielle Anwendungen macht, bei denen eine stabile Leistungsabgabe entscheidend ist.