Thermische Auslegung von Umrichtern und Schaltschränken in der Antriebstechnik
Verluste minimieren
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Verwendung von unipolaren SiC-Bauelementen
Mit der Weiterentwicklung der Bauelemente-Technolgie für das Halbleiter-Material Siliziumkarbid ist es möglich geworden, unipolare, feldgesteuerte Bauelemente in der 1200-V-Spannungsklasse zu entwerfen, die sich für Antriebsumrichter eignen [10], [11], [12]. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Schalter aufgrund seiner Struktur selbst die Funktion der Freilaufdiode mit übernehmen kann, wie der SiC-JFET von Infineon oder einige aktuelle Entwicklungen von SiC-MOSFETs. Damit werden dann die im vorangehenden Kapitel genannten Limitierungen überwunden:
Auch wenn ein SiC-Bauelement im Vergleich zu einem Silizium-IGBT für gleichen Durchlass bei Nennstom ausgelegt wird, reduzieren sich Leitverluste über eine Periode der Ausgangsfrequenz oder einen Lastzyklus schon signifikant, weil das SiC-Bauelement eine lineare Durchlasskennlinie aufweist. Darüber hinaus können bei Einsatz von unipolaren SiC-Bauelementen die Verluste durch Verwendung größerer Halbleiterflächen effektiv gesenkt werden. Das gilt auch für den Freilaufbetrieb: Der Schalter arbeitet hier als Synchrongleichrichter. Die Diodeneigenschaften im Schaltbetrieb sind so gut, dass kaum Recovery-Verluste auftreten. Dadurch hat eine Vergrößerung der Fläche über einen weiten Bereich nur wenig Einfluss auf die Schaltverluste.
Da der überwiegende Teil der Verluste der Leistungshalbleiter im Wechselrichter auftritt, hat die Verwendung von SiC-Bauelementen hier das Potenzial, die Verluste des Wechselrichters deutlich zu reduzieren [13], [14]. Die optimale Auslegung muss unter Berücksichtigung der Mehrkosten großzügig bemessener SiC-Bauelemente gegenüber den möglichen Einsparungen im System ermittelt werden.
Wie in Bild 5 gezeigt, lässt sich damit ein Wirkungsgrad des Wechselrichters von 99,5 % erreichen, was gegenüber einer Lösung in Silizium-Technologie eine Reduzierung der Verluste auf weniger als ein Drittel bedeutet.
Der hier vorgestellte Ansatz geht über bisher diskutierte Überlegungen [12], die den Einsatz von SiC in Antriebsumrichtern über die mögliche Energiekosteneinsparung vorantreiben wollen, hinaus und erscheint im Marktumfeld des Anlagenbaus praxisnäher. Hier ergibt sich bereits beim Anlagenbauer aus der Verwendung von SiC zur Reduzierung der Verluste ein Einsparpotenzial, während potenzielle Energieeinsparungen erst beim Anwender realisiert werden können und immer von der Intensität der Nutzung und vom Lastprofil der Anlage abhängen.
Wann lohnt sich SiC?
Für Umrichterhersteller sinnvolle Produkte auf der Basis von SiC sind verlustminimierte Umrichter kleiner Leistung mit dem Ziel, dem Anwender aufwändige Entwärmungsmaßnahmen zu ersparen oder das Portfolio an dezentralen Lösungen zu Leistungen, die die Leistung der heute in Silizium-Technologie realisierten Geräte um den Faktor zwei übertreffen, auszuweiten. Trotz höherer Kosten für die SiC-Leistungshalbleiter sinken die Anlagen-, Installations- und Betriebskosten, da der Kühlaufwand und der Energiebedarf erheblich reduziert werden.
Die Steigerung der Leistungsdichte von Antriebsumrichtern hat für den Anwender nicht nur Vorteile, sondern stellt ihn auch vor neue Herausforderungen bei der Entwärmung von Schaltschränken, weil sich die Verlustleistungsdichte im Schaltschrank erhöht. Hier wurden einerseits konstruktive Lösungen auf Basis der heutigen Silizium-Bauelemente vorgestellt, andererseits wurde dargestellt, wie sich neuartige Bauelemente auf Basis von Siliziumkarbid nutzen lassen, um neue Produkte zu entwickeln, die durch eine signifikante Reduzierung der Halbleiterverluste die typischen Problemstellungen der Elektrokonstruktion im Anlagenbau adressieren.
Literatur
[1] Schalten Schützen und Verteilen in Niederspannungsnetzen. Siemens AG, 4. Auflage, Publicis MCD, 1997. [
[2] Rittal-System-Klimatisierung. www.rittal.com
[3] MW500 – Decentralized MotorDrive. Flyer von Grupo WEG, 2014. www.weg.net
[4] Frequenzumrichter CFW700 – Betriebsanleitung. Grupo WEG 2013. www.weg.net
[5] Datenblatt FP25R12W2T4, Rev. 2.2. Infineon AG 2013. www.infineon.com
[6] Datenblatt FP35R12W2T4, Rev. 2.2. Infineon AG 2013. www.infineon.com
[7] IPOSIM-Online Simulation. Infineon AG. www.infineon.com\IGBT
[8] Jansen, U.; Luniewski P.: Benefits of System-oriented IGBT Module Design for High Power Inverters. EPE 2007.
[9] Bayerer, R.: Higher Junction Temperature in Power Modules – a demand from hybrid cars, a potential for the next step increase in power density for various Variable Speed Drives, PCIM 2008
[10] Domes, D.; Messelke, Ch.; Kanschat, P.: 1st industrialized 1200 V SiC JFET module for high energy efficiency applications. PCIM 2011.
[11] Hayashiguchi, M.; et al.: Low Loss, High Current SiC Mosfet Module. PCIM 2013.
[12] Rice, J.; Mookken, J.: Economics of High Efficiency SiC Mosfet based 3-ph Motor Drive. PCIM 2014.
[13] Köneke T.; et al.: Highly Efficient 12 kVA Inverter with Natural Convection Cooling Using SiC Switches. PCIM 2011. [
14] Rabkowski, J.; Peftitsis, D.; Nee, H.-P.: Design steps towards a 40 kVA SiC Inverter with an Efficiency exceeding 99.5%. APEC 2012.
Die Autoren
| Uwe Jansen |
|---|
| hat an der RWTH Aachen Elektrotechnik studiert. Nach vier Jahren als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antrieb war er sieben Jahre als Entwicklungsingenieur in unterschiedlichen Unternehmen tätig. Seit 2003 ist er bei Infineon als Applikationsingenieur für IGBT-Module und -Treiber beschäftigt, inzwischen als Principal Application Engineer. |
Der Autor
| Dr. Ulrich Schwarzer |
|---|
| hat an der RWTH Aachen Elektrotechnik studiert und war dort für fünf Jahre als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig. Bei Infineon arbeitet er seit 2004 als Senior Staff Engineer, zuletzt im Bereich des System Engineering für Antriebe. |
Der Autor
- Verluste minimieren
- Umrichter im Schaltschrank
- Verwendung von unipolaren SiC-Bauelementen
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