Potenziale und Grenzen der Schaltverlustreduktion in Antriebsstromrichtern durch Einsatz schnell schaltender SiC-Bipolartransistoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wilfried Hofmann
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 212735162

Mit diesem Vorhaben soll untersucht werden, inwieweit die Schaltverluste eines Antriebs-stromrichters mit dem Einsatz von schnell schaltenden Siliziumkarbid-Bipolartransistoren (SiC-BJT) gesenkt werden können ohne den Umrichter oder die angeschlossene elektrische Maschine zu beschädigen. Zuerst soll die Treiberkonfiguration für die niedrigsten gesamten Umrichterverluste gefunden werden. Neben dem herkömmlichen spannungsquellenbasierten Treiber soll auch ein neuartiger stromquellenbasierter Treiber verwendet werden. In beiden Fällen müssen geeignete Treiberschaltungen und Kommutierungskreise entworfen und aufgebaut werden, die passive Schalthandlungen, die letztendlich zur Zerstörung des Umrichters führen, unterdrücken. Im zweiten Schritt soll nach den maximal zulässigen Spannungsanstiegen an den Transistoren gesucht werden, die noch einen direkten Anschluss des Motors über das Motorkabel an den Wechselrichter zulassen. Ein wesentlicher Schwerpunkt dieses Vorhabens ist es, die Verlustleistung der einzelnen Transistoren sowie des gesamten Wechselrichters zu messen. Trotz zum Teil sehr kurzer Schaltzeiten soll das mit hoher Genauigkeit geschehen. Um die Messergebnisse bewerten zu können, soll daher für jeden Messaufbau die entsprechende Messunsicherheit bestimmt werden. Zunächst sollen mit dem Doppelpulsverfahren die Schaltzeiten und Schaltverlustleistungen mehrerer SiC-Bipolartransistoren bestimmt werden. Zusätzlich sollen deren Durchlassverluste gemessen werden. Auf Grundlage dieser Daten sollen mittels Systemsimulation die Verluste für eine Halbbrücke, einen Wechselrichter und einen kompletten Umrichter berechnet werden. Durch entsprechende Messungen mit einem Leistungsmessgerät und einem Kalorimeter sollen diese Ergebnisse anschließend überprüft werden. Insbesondere sollen Messungen für verschiedene Arbeitspunkte des Wechselrichters durchgeführt werden, indem die mit dem Wechselrichter verbundene Asynchronmaschine mit einer drehmomentgeregelten Maschine belastet wird. Anhand dieser Untersuchungen sollen die Messaufbauten ausgewählt werden, mit denen die Verlustleistungen am genausten bestimmt werden können. Die niedrigsten erreichbaren Umrichterverluste mit und ohne Ausgangsfilter sollen so bestimmt werden. Bei Einsatz eines Sinusfilters soll der Zusammenhang zwischen Pulsfrequenz und Filterbauraum untersucht werden. Wird kein Ausgangsfilter eingesetzt, ist der Einfluss von Spannungsanstiegszeiten von unter 50 ns auf die kritische Kabellänge von Interesse. Des Weiteren wird nach einer Beziehung zwischen den Ergebnissen aus dem Doppelpulsverfahrenm, welches leicht durchgeführt werden kann, und den tatsächlich gemessenen Umrichterverlusten gesucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen