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Leistungsdichte und Effizienz verbessern

SiC-Halbleiterprodukte in der Anwendung

4. November 2016, 14:09 Uhr | Von Aly Mashaly

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Hohe Effizienz in der Antriebstechnik

Die Vorteile von SiC werden unter anderem in industriellen Anwendungen wie Antriebswechselrichtern sichtbar, bei denen Sinusfilter am Ausgang des Wechselrichters benötigt werden. Eine Beispielanwendung sind Motorantriebswechselrichter im zweistelligen Kilowatt-Leistungsbereich. Hier wird ein Kabel mit bis zu 100 Metern Länge zwischen dem Motor und dem Wechselrichter geführt. Bei dieser Anwendung wird häufig ein Sinusfilter am Ausgang des Wechselrichters eingesetzt.
Aufgrund der Nutzung einer solchen Art von Ausgangsfiltern können Kabel ohne Abschirmung geführt werden. Dadurch lassen sich die Kosten für die gesamte Anlage drastisch reduzieren. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung solcher Filter ist das starke Abnehmen der Hochfrequenzströme in den Motorwicklungen, das die Verlustleistung im Motor verringert. Dadurch weist der Motor ein besseres thermisches Verhalten auf. Darüber hinaus wird der Geräuschpegel des Motors stark verringert. Zusammenfassend stellt man fest, dass die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des gesamten Systems durch den Einsatz eines Sinusfilters verbessert werden. Bei Anlagen im hohen Leistungsbereich hat die Verwendung eines solchen Filters allerdings einen Nachteil, denn das Sinusfilter nimmt den größten Anteil des Bauvolumens ein. Deshalb wäre es interessant, das Bauvolumen des Filters und somit seine Kosten zu verringern. Dies ist grundsätzlich durchführbar, indem die Schaltfrequenz der verwendeten Halbleiter im Wechselrichter (Bild 3) erhöht wird.

Standardmäßig wird für Anwendungen im hohen Leistungsbereich die Si-IGBT-Technologie verwendet und eine Schaltfrequenz im Bereich von 10 kHz gewählt. Der Einsatz von IGBTs ist in Anwendungen mit höheren Schaltfrequenzen wegen der hohen Verlustleistung und der damit verbundenen thermischen Belastung nicht möglich.

SiC öffnet mit seinen physikalischen Eigenschaften neue Türen für solche anspruchsvollen Anwendungen. Mit SiC ist es möglich, hohe Schaltfrequenzen zu verwenden, ohne dabei eine große thermische Belastung im Wechselrichter zu verursachen.

Die Verwendung einer hohen Schaltfrequenz bringt zwei Vorteile mit sich. Erstens kann das Ausgangsfilter kleiner dimensioniert werden und zweitens verbessert sich das Resonanzverhalten des gesamten Systems.

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Bild 4 zeigt einen Vergleich der Schaltverlustleistung zwischen einer Si-IGBT-Technologie und der SiC-Technologie von Rohm in einer Standard-Wechselrichtertopologie (wie in Bild 3 dargestellt). Die Vergleichsparameter sind wie folgt definiert worden: Zwischenkreisspannung UDC = 600 V, Motorphasenstrom Imotor = 200 A und Schaltfrequenz fsw = 10 kHz.

Bei der Darstellung der Daten in Bild 4 wurde die Verlustleistung auf ein Si-IGBT mit Si-FRD normiert (linker Balken bei 100 %). Bei der Verwendung einer Hybridkonfiguration, das heißt eines Si-IGBT mit SiC-SBD als antiparalleler Freilauf-Diode, verringern sich die Schaltverluste um 30 % (mittlerer Balken). Wird ein Voll-SiC-Modul von Rohm (also ein SiC-MOSFET und eine SiC-SBD) bei dieser Topologie eingesetzt, ist eine signifikante Reduzierung der Schaltverluste möglich (rechter Balken).

Bild 5 zeigt das weltweit erste Voll-SiC-Modul mit der neu entwickelten Trench-Technologie von Rohm. Das Modul weist eine Sperrspannung von 1200 V und einen Drain-Strom von 180 A auf.