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Top-Fokus|leistungselektronik www markttechnik de Nr 44 2021 36 leitenden Pfad Wie in Bild 4 zu erkennen ist besteht die Topologie aus zwei SiC-MOSFETs S1 und S2 die mit einer hohen Schaltfrequenz von typisch 65 kHz bis 150 kHz schalten sowie einem Paar niederohmiger MOSFETs M1 und M2 die mit Netzfrequenz 47 bis 63 Hz schalten Damit besteht der leitende Pfad nur aus einem schnellen und einem langsamen Schalter Es ist möglich die beiden Niederfrequenz-MOSFETs durch zwei Thyristoren zu ersetzen was den Vorteil hat dass der Einschaltstrom beim Anlaufen der Schaltung begrenzt wird So kann auf das Relais und den strombegrenzenden Widerstand früherer Designs verzichtet werden Dieser Ansatz zeichnet sich durch interessante Zuverlässigkeitsvorteile aus und senkt die Standby-Verluste gegenüber der traditionellen NTC PTC-Schaltung zur Begrenzung des Einschaltstroms Im hochfrequenten Zweig sorgt die gegenüber Si-MOSFETs sehr geringe Sperrverzögerungs-Ladung der SiC-MOSFETs dafür dass sich die brückenlose Totem-Pole-Topologie auch für Anwendungen hoher Leistung eignet Mit ihrem sehr hohen Wirkungsgrad und ihrer großen Leistungsdichte erfüllt sie die Anforderungen von unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Motorregelungs-Applikationen In Tabelle 2 ist der berechnete Wirkungsgrad einer semibrückenlosen Totem-Pole-PFC-Schaltung wiedergegeben die zwei Thyristoren und zwei SiC-MOSFETs enthält In diesem Beispiel kommen Thyristoren des Typs TN5050H-12WY und SiC-MOSFETs vom Typ STC-W90N65G2V zum Einsatz Die SiC-FETs besitzen einen maximalen R DS on von 24 mΩ bei 25 °Cund werden mit positiven und negativen Gate-Spannungen +20 V –4 Vangesteuert Hierfür kommt ein galvanisch isolierter zweikanaliger Habbrücken-Gate-Treiber des Typs STGAP2D zum Einsatz der sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke bis zu 4 Averkraftet Erstellt wurde die Tabelle für unterschiedliche Eingangsspannungen und Leistungen basierend auf einer Gleichspannung von 400 Vund einer Schaltfrequenz von 100 kHz Die Analyse beruht auf den folgenden Annahmen • Die Verluste in den Induktivitäten und Kondensatoren bleiben unberücksichtigt • Es wird eine Sperrschichttemperatur von 125 °Cangenommen • Jeder Schalter leitet während der einen Netzhalbwelle einen Vorwärtsund während der anderen Halbwelle einen Rückwärtsstrom Synchrongleichrichter und Body-Diode Wie man sieht lässt sich dank der SiC-Technologie auch bei niedrigen Eingangsspannungen ein hoher Wirkungsgrad erzielen Bei höheren Eingangsspannungen und Leistungen ist der Wirkungsgrad sogar höher als erwartet Wechselrichter als zweites Beispiel Als weiteres Beispiel ist in Bild 5 eine Halbbrücken-Wechselrichtertopologie zu sehen Auch in unterbrechungsfreien Stromversorgungen und im Bereich der erneuerbaren Energien werden SiC-MOSFETs häufig anstelle von Silizium-Transistoren eingesetzt Auch hier sind die wichtigsten Vorteile der höhere erreichbare Wirkungsgrad die gesteigerte Leistungsdichte und die höhere Betriebstemperatur In erster Linie spielt die Eignung von SiC-MOS-FETs für höhere Schaltfrequenzen eine Rolle was die Verwendung kleinerer passiver Bauelemente gestattet und damit in kompakteren Produkten und reduzierten Schaltungskosten resultiert Dies ist ein großer Pluspunkt für Wechselrichter-Anwendungen in denen ein LCoder LCL-Filter am Ausgang erforderlich ist um die Oberschwingungen der von der Schaltstufe erzeugten Spannung auszufiltern Ein solcher Filter kann sehr groß und kostspielig werden wenn er eine niedrige Schaltfrequenz herauszufiltern hat Bild 4 Brückenlose links und semibrückenlose rechts Totem-Pole-PFC-Topologie mit Begrenzung des Einschaltstroms Bild 5 Halbbrücken-Wechselrichtertopologie zum Erzeugen von Wechselspannungen Tabelle 3 Wirkungsgrad des SiCbestückten Halbbrücken-Wechselrichters mit 2 kW bei verschiedenen Schaltfrequenzen Last W % 286 W 14 2 % 582 W 28 9 % 1042 W 51 8 % 1558 W 77 5 % 2011 W 100 % Effizienz@ 35 kHz 97 5 % 98 3 % 98 3 % 98 1 % 97 7 % Effizienz @ 70 kHz 96 4 % 97 3 % 97 5 % 97 3 % 97 0 % Effizienz @ 140 kHz 92 2 % 95 2 % 95 3 % 94 9 % 94 2 %