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SiC oder nicht SiC – das ist hier die Frage!

20. Oktober 2021, 11:14 Uhr | Von Dr. Martin Schulz, Global Principal im Application Engineering bei Littelfuse

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GaN-Bauelemente

GaN-Bauelemente sind nicht mit einer ausreichenden Sperrspannung für 2-Level-Designs erhältlich. Der Wechsel zu Multilevel-Invertern ist technisch eine Option, die wiederum eine große Anzahl von Chips erfordern würde, um die Stromstärken und Temperaturschwankungen zu erreichen. Heute sind alle serienmäßig gebauten elektrischen Schwerlastfahrzeuge mit IGBT-basierten Antriebsstrangwechselrichtern ausgestattet.

Ein Blick auf die Batterieladeinfrastruktur in Nutzfahrzeugen zeigt eine ähnlich anspruchsvolle Anwendung. Für das Aufladen von Batterien in LKWs mit einer Kapazität von 500 kWh oder mehr in kurzer Zeit ist eine Ladestation erforderlich, die mehr als ein Megawatt Leistung aufbringen kann. Derzeit werden 2,2 MW angestrebt, eine Erweiterung auf 4,5 MW wird diskutiert. Der Anwendungsfall umfasst das Aufladen von Fahrzeugen in einem Zeitrahmen von zehn Minuten und drei bis fünf Fahrzeugen pro Stunde, und das den ganzen Tag, und jeden Tag. Mehr als eine halbe Million Zyklen im Minutentakt, die auch als thermische Zyklen bezeichnet werden, sind eine ziemliche Herausforderung für Leistungsmodule mit Lötbondtechnik.

Diese AC-DC-Hochleistungsanwendung wird wie die Elektrolyse von Siliziumthyristoren in Scheibenbauweise dominiert, die als B12C-Topologie konfiguriert sind. Ein typischer Aufbau, der von einem Mittelspannungstransformator angetrieben wird, ist in Bild 2 dargestellt.
Es wird oft angenommen, dass die Parallelschaltung von Teilsystemen die Verfügbarkeit erhöht, da sie ein gewisses Maß an Redundanz bietet. Obwohl dies mathematisch richtig ist, gehört dazu auch, dass Subsysteme statistisch gesehen mit der Zeit ausfallen. Thyristoren in Scheibengehäusen eliminieren Ausfallmechanismen wie Stromzyklen und erreichen daher eine längere Lebensdauer. Die Verbindung von nur zwei Geräten zur Bildung der B12C-Topologie reduziert zudem die Wahrscheinlichkeit von Verbindungsfehlern und verringert den Installationsaufwand bei der Inbetriebnahme massiv.

Für den Fall, dass Redundanz gefordert ist, lassen sich Thyristor-Stacks auch in einer sogenannten n+1-Struktur aufbauen. Für jeden Schalter ist ein redundanter Thyristor vorgesehen. Die Short-on-Fail-Eigenschaft der Scheiben- oder Press-Pack-Gehäuse erlaubt es, einen beschädigten Thyristor als Verbindung zu betrachten. Im Falle eines Ausfalls bleibt die Anlage mit den verbleibenden Elementen betriebsbereit und es kann eine vorbeugende Wartung angefordert werden, bevor das System ausfällt.

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Bild 3 vermittelt einen Eindruck von dem Unterschied, der erreicht werden kann. Das Bild zeigt den Aufbau der Komponenten, die zum Bau eines 2,5-MW-Ladegeräts für Nutzfahrzeuge benötigt werden. Der thyristorbasierte Ansatz hat den beispiellosen Wirkungsgrad einer einstufigen Energieumwandlung, der bis zu 99,8 Prozent erreicht, gepaart mit einer nachgewiesenen Erfolgsbilanz von jahrzehntelangem Betrieb ohne Ausfälle aufgrund von Ermüdung.

Ein Faktor, der oft unterschätzt wird, sind die Kosten für die Kühlung. Um 3 Prozent von 2,5 MW, also 75 kW, abzuführen, ist eine Kältemaschine erforderlich, die 22 kW elektrische Leistung benötigt. Derzeit werden Projekte zum Bau von 1700 Hochleistungs-Ladestationen in Europa diskutiert. In diesem Fall müssten die Betreiber eine Kühlleistung von 37 MW aufbieten. Wenn das System zwei Drittel der Zeit in Betrieb ist, übersteigt der jährliches Energiebedarf 200 GWh.

Im Vergleich zum SiC-MOSFET-basierten Ansatz ließen sich die Verluste im Leistungsteil von 3 auf 0,3 Prozent reduzieren. Durch die Wahl der für die Anwendung am besten geeigneten Technologie-Topologie-Kombination sinkt der Kühlleistungsbedarf entsprechend und spart so jedes Jahr Hunderte von GWh.