Themen, Trends und Technologien in der Leistungselektronik Highlights der PCIM-Konferenz

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Die diese Woche in Nürnberg stattfindende PCIM Europe ist eine etablierte Plattform für den Fortschritt in der Leistungselektronik. Autor Uwe Scheuermann von Semikron hat in diesem Beitrag herausragende Themen von der begleitenden Konferenz für Sie zusammengefasst.

Die leistungselektronischen Bauelemente bilden den Kern jeden Umrichtersystems; daher sind die Fortschritte in diesem Sektor immer von besonderem Interesse. Die Autoren der ABB Semiconductors stellen ein neues Modul mit bis zu 900 A bei 6500 V Sperrspannung vor [1]. Als Schalter werden BIGTs (Bimode Insulated Gate Transistor) eingesetzt, eine hybride Struktur aus einem IGBT und einem rückwärtsleitenden RC-IGBT, integriert in einem Bauelement. Dieses Bauelement kann sowohl als IGBT, als auch als Freilaufdiode betrieben werden, wobei in jeder Betriebsart nahezu das gesamte Chipvolumen genutzt wird.

Die Durchlasseigenschaften (Bild 1a) zeigen neben einem ausgeprägten positiven Temperaturkoeffizienten dV/dT in beiden Betriebsarten auch die zusätzliche Möglichkeit, die Eigenschaft des Bauteils im Diodenmodus durch die Gatespannung zu modifizieren. Die Kombination einer negativen Gatespannung während der Leitphase der Diode mit einem positiven Gatepuls kurz vor der Kommutierung erlaubt so eine deutliche Reduzierung der Einschaltverluste (Bild 1b).

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Ein Beitrag von United Silicon Carbide präsentiert einen neu entwickelten lateralen SL-JFET auf SiC-Basis in Super-Junction-Technologie für den Einsatz bei hohen Schaltfrequenzen [2]. Bild 2a zeigt einen 1000-V-SL-JFET, der ein Normally-off-Verhalten aufweist. Die vorgestellte Technologie zeigt einen Abfall der Ausgangskapazität bereits bei kleinen Drain-Spannungen (Bild 2b), was für resonante DC/DC-Umrichter den effizienten Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen ermöglicht. Sie bietet das Potenzial einer größeren Trägerbeweglichkeit im MOS-Kanal und höherer Zuverlässigkeit des Gateoxids im Vergleich zu vertikalen SiC-Bauelementen.

Der Einsatz von fortschrittlichen Schaltern auf der Basis von Halbleitern mit großem Bandabstand bei hohen Schaltfrequenzen erfordert eine Weiterentwicklung der Aufbautechnik mit verringerten parasitären Induktivitäten. Die Autoren vom FhG-IZM stellen in ihrem Beitrag eine Modularchitektur mit geringer parasitärer Induktivität für schnellschaltende Bauelemente vor [3].

Bei diesem Embedded-Design werden die Bonddrähte durch eine Lagenkontaktierung ersetzt (Bild 3a) und die Zwischenkreiskondensatoren unmittelbar auf dieser Lage angeordnet. Messungen an einem Prototyp mit zwei parallelen 1200-V-SiC-JFETs pro Schalter in Halbbrückenkonfiguration (Bild 3b) lieferten eine Kommutierungsinduktivität von 0,866 nH für 20 A Strom und 600 V Zwischenkreisspannung.

Für den Betrieb von Leistungswechselrichtern sind Netzrückwirkungen und harmonische Störungen von wachsender Bedeutung. Der gemeinsame Beitrag von der University of Applied Science Buchs NTB und der Schaffner EMV aus der Schweiz stellt ein kürzlich vorgeschlagenes magnetisches Bauelement vor: den induktiven Current Splitter/Merger CSM (Bild 4a, 4b) als Filter für harmonische Störungen [4]. Gegenüber aktiven Lösungen (active PFC) ist das CSM deutlich robuster und für höhere Leistungen kostengünstiger. Zur optimalen Dimensionierung wird ein Reluktanz-Modell vorgeschlagen, welches die gekoppelte Berechnung elektrischer und magnetischer Eigenschaften des Systems und damit die Optimierung der CSM-Parameter erlaubt. Die Elemente des Reluktanz-Modells werden dazu vorab mittels 3D-FEM Simulation extrahiert.

Im Rahmen des Ausbaus der erneuerbaren Energieversorgung kommen zunehmend Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecken (HVDC) zum Einsatz, um beispielsweise Offshore-Windparks mit dem AC-Netz zu verbinden. Die Kopplung von HVDC-Netzwerken mit unterschiedlichen Nennspannungen erfolgt heute meist durch einen Wechselrichter (DC/AC), gefolgt von einem Transformator zur Spannungsanpassung und schließlich einem Gleichrichter. Die Autoren von der Universität Bayreuth schlagen einen neuen HV-DC/DC-Umrichter auf der Basis von modularen Multilevel-Umrichtern (MMC) vor, der eine effizientere Kopplung von HVDC-Netzen mit unterschiedlichen Nennspannungen erlaubt [5].

Bild 5a zeigt die vorgeschlagene Topologie des MMC-DC-DC-Auto-Transformers. Ein Vergleich der übertragbaren Leistung bezogen auf die Nennleistung der MMC-Submodule macht deutlich, dass über einen weiten Bereich des Übertragungsverhältnisses der MMC-DC-DC-Auto-Transformer gegenüber dem klassischen MMC-DC-DC-Umrichter mehr als die doppelte Übertragungsleistung erreicht (Bild 5b). Damit lassen sich also bei gleicher Übertragungsleistung die Verluste mehr als halbieren.

Die quantitative Bewertung unterschiedlicher Topologien haben sich die Autoren von SMA Solar Technology zur Aufgabe gemacht [6]. Dabei wurde eine klassische B6-Schaltung mit einer Multilevel-BSNPC-Topologie verglichen. Für definierte Anwendungsbedingungen wurden verschiedene Si-IGBTS oder SiC-JFETs, verschiedene magnetische Komponenten und verschiedene Zwischenkreiskondensatoren aus Datenbanken kombiniert und die gewichteten Verluste der jeweiligen Topologie über den normalisierten Kosten aufgetragen. Für die gewählten Anwendungsbedingungen zeigt sich, dass der Multilevel-Umrichter eine höhere Effizienz bei geringeren Kosten ermöglicht. Besonders hervorzuheben ist, dass die Autoren die Ergebnisse dieser Bewertung durch experimentelle Messungen validieren.

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