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SiC-Dioden

Höherer Wirkungsgrad bei Frequenzumrichtern

20. November 2013, 10:20 Uhr | Andrea Gillhuber

Unter der Leitung von Siemens wurden in dem BMBF-Projekt MV-SiC weltweit erstmals Siliziumkarbid-Dioden in Mittelspannungsumrichtern für Großantriebe erprobt.

Unter der Leitung von Siemens wurden in dem BMBF-Projekt MV-SiC weltweit erstmals Siliziumkarbid-Dioden in Mittelspannungsumrichtern für Großantriebe erprobt. Das Ergebnis: Mit den Bausteinen konnten bis zu 70 % Strom eingespart werden. Der Wirkungsgrad der Umrichter konnte um 10 % gesteigert werden.

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Mit 1,7 Mio. Euro förderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF das Projekt MV-SiC. Das Projekt ist Bestandteil der Fördermaßnahme »Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung« innerhalb der High-Tech-Strategie der Bundesregierung. In dem eben abgeschlossenen Projekt wurden SiC-Dioden in kommerziellen Umrichtern für Großantriebe getestet. Mit den Frequenzumrichtern können Elektromotoren für große Pumpen, Kompressoren oder Schiffe mit variabler Drehzahl betrieben werden. Bislang verwenden diese Umrichter für die Motoren mit Leistungen bis einigen Megawatt konventionelle Silizium-Halbleiter.

Gemeinsam mit Infineon, Curamik Electronics und der TU Dresden erforschten Siemens Drive Technologies und die Siemens-Forschungsabteilung Corporate Technology (CT) Dioden-Module auf Basis von Siliziumkarbid. Die Technische Universität Dresden unterstützte das Projekt durch Simulationen und Experimente zur Auslegung der Umrichter. Die Module selbst wurden von Infineon gefertigt, während Curamik die Substrate lieferte. So entstanden Dioden-Module mit bis zu 6,5 kV Sperrspannung und 1,2 kA Vorwärtsstrom.

Neue Materialien, höhere Wirkungsgrade

Der Vorteil von Siliziumkarbid-Dioden liegt auf der Hand: Mit ihnen lässt sich die Komplexität des Systems reduzieren und aufgrund geringerer Verluste der Wirkungsgrad steigern. Auch die Schaltfrequenz der Umrichter lässt sich um rund ein Drittel erhöhen, was wiederum den Drehzahlbereich der Antriebe und deren Leistung steigert.

In dem Projekt wurden bipolare SiC-Hochvoltdioden parallelgeschaltet. Mit Hilfe einer vollständig digitalen Treiberschaltung konnten hohe Schaltfrequenzen und eine hohe Schaltgeschwindigkeit realisiert und dadurch die Einschaltverluste reduziert werden. Getestet wurden die Module in Siemens-Umrichtern Sinamics GM150 als Mittelpunktsdioden. Der Aufbau des Standard-Umrichtersystems für Einzelantriebe verliert durch das 6,5-kV-SiC-Dioden-Modul an Komplexität und auch der Materialaufwand konnte reduziert werden. Im Ganzen konnte der Wirkungsgrad des Frequenzumrichters um knapp 10 % gesteigert werden.

Das Projekt wurde vom Bundesforschungsministerium im Programm Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung im Rahmen der High-Tech-Strategie gefördert.