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8 Trend Guide Leistungshalbleiter 2022 www markttechnik de Fokus höhere DC-Busspannung meist zwischen 1000 und 1300 V Um den Wirkungsgrad zu maximieren mussten Entwickler die Siliziumtransistoren bei diesen hohen Zwischenkreisspannungen einsetzen traditionell zwischen einigen wenigen komplexen Drei-Level-Schaltungsarchitekturen wählen Beispiele sind die Diodenbasierte NPC-Schaltung Neutral Point Clamped die aktive NPC-Schaltung ANPC und die T-Schaltung Mit dem Einsatz von 1700-V-SiC-MOSFETs in einer Zwei-Level-Schaltung Halbbrücke lässt sich die Anzahl von Bauelementen halbieren sowie eine wesentlich effizientere Ansteuerung verwenden Bild 5 zeigt wie stark sich die Gesamtzahl der Bauelemente für NPC-ANPCund T-Typ-Schaltungen mit SiC-Technologie reduzieren lässt Ganz zu schweigen davon dass man pro Schalterposition vierbis sechsmal mehr IGBTs parallelschalten muss als SiC-MOSFETs Mit der geringeren Anzahl der Bauelemente verringert sich auch die Anzahl der Gate-Treiber was die Ansteuerung vereinfacht Vorteile im Megawatt-Bereich Anwendungen im Megawattbereich reichen von Halbleiter-Transformatoren Solid-State Transformer SST und Mittelspannungs-Gleichstromverteilungssystemen bis hin zu Traktionsaggregaten TPUs Traction Power Units in Nutzund Schwerlastfahrzeugen Weitere Anwendungen sind zentrale Solarwechselrichter und Offshore-Windkraftanlagen sowie Energiewandler an Bord von Schiffen Bild 6 zeigt ein Beispiel für einen modularen mehrstufigen Wandler Bei Anwendungen mit solch hohen Leistungen verwendet ein Wandler für einen Halbleiter-Transformator mehrere Stufen in Serie geschalteter Leistungselektronikzellen um die Spannungsanforderungen zu erfüllen Jede Zelle kann eine Halboder Vollbrücke sein Manche Entwickler entscheiden sich sogar für Drei-Level-Architekturen Die Verwendung modularer Komponenten auf der Grundlage einer solchen Grundeinheit erhöht die Skalierbarkeit und minimiert den Wartungsaufwand Diese Einheitszellen die manchmal auch als Leistungselektronik-Blöcke PEBB Power Electronic Building Blocks oder Submodule bezeichnet werden sind als kaskadierte H-Brücken-Wandler oder modulare Multi-Level-Wandler MMCs konfiguriert Um diese Grundmodule zu implementieren haben die Entwickler in der Vergangenheit 1200-bis 1700-V-Si-IGBTs verwendet Werden diese auf der Submodulebene durch 1700-V-SiC-MOSFETs ersetzt hat dies den gleichen Effekt wie bei Anwendungen mit geringerer Leistung höhere Belastbarkeit und elektrische Leistungsfähigkeit Durch die geringeren Schaltverluste der SiC-MOSFETs lässt sich die Schaltfrequenz anheben Jede einzelne Zelle wird dadurch erheblich kleiner und die hohe Sperrspannung von 1700 Vverringert die Anzahl der für dieselbe Zwischenkreisspannung erforderlichen Zellen Dadurch steigt die Systemzuverlässigkeit und senkt gleichzeitig die Kosten durch weniger aktive Schalter und Gate-Treiber Kommt zum Beispiel eine 1700-V-SiC-Komponente in einem Halbleiter-Transformator zum Einsatz der an einer 10-kV-Mittelspannungsverteilung betrieben wird lässt sich die Anzahl der seriell verbundenen Zellen im Vergleich zu Si-Alternativen um 30 Prozent verringern Vorteile bei Gehäuse und Gate-Ansteuerung Da SiC-MOSFETs sehr schnell hohe Leistungen schalten können müssen sekundäre Effekte wie Rauschen und elektromagnetische Störungen EMI sowie die begrenzte Kurzschlussfestigkeit und Überspannungen verursacht durch parasitäre Induktivitäten und Überhitzung vermieden werden Ein gängiger Wandler mittlerer Leistung schaltet Hunderte von Ampere an einem 1000-bis 1300-V-Bus in weniger als 1 µs ab Microchip bietet verschiedene Gehäuse für SiC-MOSFET-Module die die parasitäre Induktivität erheblich reduzieren Dazu gehören Halbbrücken-Gehäuse mit einer parasitären Streuinduktivität von unter 2 9 nH um Strom Schaltfrequenz und Effizienz zu maximieren Bild 7 Diese Gehäuse bieten auch eine höhere Leistungsdichte und einen kompakten Formfaktor sodass eine geringere Anzahl von Modulen parallelgeschaltet werden kann um komplette Systeme zu erhalten sodass sich diese weiter verkleinern lassen Neben einer verringerten Gehäuseinduktivität und einem optimierten Systemlayout lässt sich auch eine neue Methode der Gate-Ansteuerung verwenden die speziell darauf ausgelegt ist die sekundären Effekte der höheren Schaltgeschwindigkeiten von SiC-MOSFETs in den Griff zu bekommen Die heutigen konfigurierbaren intelligenten und schnell agierenden digitalen Gate-Treiber reduzieren das Überschwingen der Drain-Source-Spannung U DS um bis zu 80 Prozent im Vergleich zum herkömmlichen analogen Ansatz und verringern die Schaltverluste um bis zu 50 Prozent Außerdem können sie die Zeit bis zur Markteinführung um bis zu sechs Monate verkürzen und bieten neue erweiterte Schaltfunktionen Durch diese Funktionen können Entwickler verschiedene Konfigurationen untersuchen und sie für verschiedene Gate-Treiber-Parameter wie Gate-Schaltprofile systemkritische Monitore und Controller-Schnittstellenparameter wiederverwenden Gate-Treiber lassen sich schnell feinabstimmen um viele verschie-Bild 4 Wirkungsgrad von SiC-Schaltungen im Vergleich zu einem Si-IGBT bei 10 und 30 kHz Schaltfrequenz Berücksichtigt wurden hierbei nur die Verluste in den Leistungshalbleitern nicht aber die in den passiven Komponenten Bild 5 SiC-Technologie erhöht den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte und verbessert gleichzeitig die Zuverlässigkeit indem einfachere Zwei-Level-Topologien Halbbrücken zum Einsatz kommen So lässt sich ein 3-phasiger 75-kW-Wechselrichter mit nur zwei Bauelementen pro Phasenzweig und zwei Treibern erstellen wie in den obigen Schaltungsbeispielen vom Typ NPC ANPC und Tgezeigt