Zwei statt drei Stufen Leistungsmerkmale industrieller Dreiphasen-PFCs verbessern

Konkurrenzfähige SiC-Leistungshalbleiter für den Massenmarkt.
Konkurrenzfähige SiC-Leistungshalbleiter für den Massenmarkt.

SiC-Leistungshalbleiter werden attraktiv für den Massenmarkt. Durch einfachere Topologien werden sie konkurrenzfähig für die Leistungsumwandlung bei dreiphasigen AC/DC-System. Eine Beispielapplikation zeigt die Vorteile von SiC.

Viele Industrieanwendungen benötigen eine netzgekoppelte AC/DC- (oder DC/AC-)Leistungsumwandlung – von leistungselektronischen Schnittstellen für Anlagen im Bereich der erneuerbaren Energien (Solar, Wind und Batteriespeicher) über die Aufladung von Nutz- und Massentransport-Fahrzeugen bis hin zu regenerativen Motorantrieben (Aufzüge und Mühlen). Solche Systeme werden für ein Quellen-/Senken-Gefälle des AC-Stroms mit einer Total Harmonic Distortion (THDI) von unter fünf Prozent konzipiert, um die Regulierungsvorgaben zu erfüllen.

Ein praktisches Beispiel für ein dreiphasiges, netzgekoppeltes AC/DC-System sind zum Beispiel Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge. Bild 1 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines dreiphasigen, externen Schnellladegeräts für batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge (BEVs).

Mit den bekannten Leistungshalbleiter- und AC/DC-Wandler-Schaltungstopologien ist der Preis-Leistungs-Spielraum bei diesem aktiven Front-End- oder aktiven PFC-System begrenzt. Bei bidirektionalen Anwendungen werden üblicherweise zweistufige Topologien mit 1200-V-IGBTs, dreistufige Topologien mit Super-Junction-FETs oder schnelle 650-V-IGBTs verwendet. Zweistufige Topologien mit 1200-V-IGBTs ermöglichen ein einfaches Layout, niedrige Halbleiterkosten und eine hohe Leistung (>20 kW), aber die Schaltfrequenz ist auf weniger als 20 kHz begrenzt, was zu Systemen mit niedriger Leistungsdichte, geringer Effizienz und kostspieligen Induktivitäten führt.

Mehrstufige Topologien wie der NPC- (Neutral Point Clamped) Gleichrichter bieten eine höhere Leistungsdichte und Effizienz, das heißt niedrigere Schaltverluste zu Lasten einer höheren Schaltungskomplexität und höherer Kosten. Bild 2 zeigt eine zweistufige IGBT- und eine dreistufige NPC-Gleichrichter-Topologie.

Bei unidirektionalen PFC-Anwendungen bieten Topologien wie der Vienna-Silizium-Gleichrichter einen guten Kompromiss zwischen Kosten, Effizienz, Leistungsdichte und Komplexität. Studien haben gezeigt, dass der Vienna-Gleichrichter dem zweistufigen 6-Schalter-IGBT-basierten PFC bei fsw > 16 kHz aufgrund der höheren IGBT-Schaltverluste überlegen ist.

Design-Herausforderungen

Der Wunsch nach immer höherer Effizienz, höherer Leistungsdichte, niedrigeren Kosten und Bidirektionalität führt zu erheblichen Herausforderungen, wenn weiterhin Silizium in traditionellen Schaltungsansätzen verwendet werden soll. Im Vergleich zu 1200-V-IGBTs lassen sich mit SiC-MOSFETs die Schaltverluste drastisch senken. Außerdem wird der Schaltfrequenzbereich des zweistufigen 6-Schalter-PFC-Gleichrichters erheblich erweitert und höhere Volllast- und Teillasteffizienz ermöglicht. Zusätzlich kann bei SiC-MOSFETs die Body-Diode des Bauelements als antiparallele Diode genutzt werden, was die Schaltungskomplexität und die Kosten verringert. In Bild 3 sind eine zweistufige SiC-MOSFET- und eine dreistufige Silizium-Vienna-Gleichrichter-Topologie dargestellt.

Entwickler können heute zwischen dem bekannten dreistufigen Silizium-Vienna-Gleichrichter für unidirektionale PFCs oder dem fortschrittlicheren SiC-MOSFET-basierten zweistufigen Gleichrichter für den uni- und bidirektionalen Ansatz wählen.
Im Folgenden wird ein kostengünstiges, effizientes Design für industrielle PFC-Anwendungen beschrieben, bei der das Design auf SiC-Leistungs-MOSFETs basiert, die bereits vollständig freigegeben und qualifiziert wurden und in großen Mengen hergestellt werden.

ParameterSpezifikation
 Pout 20 kW
 Ugrid 380 bis 480 VAC, RMS L-L
 fgrid 50 bis 60 Hz
 Leistungsfaktor PF > 0,95
 THDI < 5 %
 Ulink  800 VDC

 

Das Design erfüllt alle in Tabelle 1 aufgeführten System-Level-Spezifikationen. Das vorgeschlagene zweistufige SiC-System folgt der Leistungstopologie in Bild 3a und wird mit dem 6-Schalter-Vienna-Gleichrichter in Bild 3b verglichen.