4,5-kV-IGBT- und Dioden-Chipsatz IGBTs in HGÜ-Anwendungen

Erneuerbare Energien im Smart Grid.
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Die Elektronik in HGÜ-Anwendungen muss gewissen Anforderungen genügen: Robustheit, Kurzschlussfestigkeit und dynamisches Leistungsverhalten. Speziell dafür entwickelte Infineon einen 4,5-kV-IGBT- und Dioden-Chipsatz.

An die Elektronik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) werden hohe Anforderungen gestellt, vor allem an die Robustheit der einzelnen Komponenten. Dazu zählen auch Leistungshalbleiter. Infineon hat einen für HGÜ-Anwendungen optimierten 4,5-kV-IGBT mit speziellem Dioden-Chipsatz entwickelt. In einem Modul verbaut, bietet er einige Vorteile: niedrige Durchlassverluste mit schnellem Einschaltverhalten für hohe Ströme und Spannungen bei gleichzeitig robustem Kurzschlussverhalten. Die Schaltrobustheit wird durch die HDR-Technologie (High Dynamic Robustness) für IGBT und Diode erreicht. Die Spannungsklasse 4,5 kV ergänzt die bereits für IGBT-Module existierenden Spannungsklassen 3,3 kV und 6,5 kV.

Der Chipsatz ist in zwei unterschiedlichen Gehäusebauformen erhältlich. Zum einen in einem hochisolierenden 6,5-kV-Modulgehäuse, welches 10,2 kV Isolationsvermögen und entsprechende Luft- und Kriechwege bietet, wie sie durch die rauen Betriebsbedingungen von Traktionsumrichtern mit Netzgleichspannungen im Bereich von 2500 bis 3000 V erforderlich sind. Ein zweiter Chipsatz wurde für das IHV-B-Gehäuse (Bild 1) ausgelegt, dem Nachfolger des IHV-A-Moduls. Dieses Modul adressiert das weite Feld der industriellen Anwendungen wie Mittelspannungsantriebe, HGÜ-Anwendungen sowie flexible Drehstromübertragungssysteme (Flexible AC Transmission System, kurz: FACTS).

Der auf IGBT-Modulen basierende, selbstgeführte Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis wird zunehmend eine wichtige Rolle für zukünftige HGÜ-Anlagen spielen. Im Gegensatz zu den bekannten, netzgeführten Umrichtern auf Thyristor-Basis erlaubt die IGBT-basierte Lösung aufgrund der Ein- und Ausschaltbarkeit dieses Bauelements in dieser Anwendung eine unabhängige Steuerung von Wirk- und Blindleistung. Darüber hinaus zeigen IGBTs ein dynamischeres Verhalten bei Störungen im AC-Netz.

Für Hochspannungsanwendungen sind eine hohe Anzahl von Halbleitern in Serie zu schalten; gleichzeitig ist für diese ein möglichst simultanes Schalten sicherzustellen. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, wurde der MMC (Modular Multilevel Converter) für Hochspannungsanwendungen wie HGÜ und FACTS entwickelt. Die Schaltfrequenz der einzelnen IGBT-Module kann in dieser Schaltung stark reduziert werden. In Hinblick auf möglichst geringe Gesamtverluste hat die Optimierung der Bauelemente auf niedrige Durchlassverluste eine besondere Bedeutung.