Siliziumkarbid-Halbleiter Neue SiC-Leistungsmodule senken die Verluste in Bahnantrieben

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Auf der PCIM in Nürnberg hat Infineon neue SiC-Leistungsmodule für Bahn-Traktionsanwendungen vorgestellt. Mit diesen schneller taktbaren Modulen lassen sich Verluste nicht nur im Modul selbst sondern vor allem im Eingangstrafo und im Antriebsmotor minimieren.

Mit dem Zug fahren, statt das Auto zu nehmen, verringert den Carbon Footprint bereits erheblich, allerdings gibt es auch in den elektrischen Antrieben von Eisenbahnen Verluste. Diese Verluste lassen sich mit modernen Leistungsmodulen verringern, die auf Siliziumkarbid (SiC) basieren und daher mit höheren Frequenzen getaktet werden können als ihre Silizium-Pendants.

Wichtiger als eine eher geringfügige weitere Steigerung des bereits sehr hohen Wirkungsgrads solcher Leistungselektronik-Module sind dabei laut Aussagen von Experten die Auswirkungen der höheren Taktung auf den Eingangstransformator, der die Verbindung zum Hochspannungs-Wechselstrom der Oberleitung bildet, sowie auf die eigentliche Antriebsmaschine.

Hauptverluste in Eingangstrafo und Antriebsmotor

Denn inzwischen entstünden die Hauptverluste eines Bahn-Antriebssystems in diesen beiden Systemkomponenten und nicht mehr in der Gleich-, Wechsel- und Umrichtertechnik, deren Wirkungsgrade mittlerweile enorm hoch sind. Als Hauptursache der Verluste in Eingangstrafo und Antriebsmotor gelten dabei die anspruchsvollen Lastprofile von Bahnantrieben, muss der Zug doch häufig beschleunigen und bremsen.

Dass ein durch die höhere Taktfrequenz eines SiC-Moduls deutlich saubererer Verlauf der Motorspannung sowie des Stroms zum und vom Motor bei diesen Vorgängen zu geringeren Verlusten führt, liegt auf der Hand. Und beim Bremsen kommt es ebenso auf eine optimalen Rückspeisung der rekuperierten elektrischen Energie über den Transformator in die Oberleitung an – auch hier bringt eine höhere Taktung niedrigere Verluste.

Zugleich stellt die Bahntechnik hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Komponenten, die Leistungsmodule müssen also über die für Züge typische lange Lebensdauer hinweg verlässlich funktionieren.

Höhere Taktung und ausgefeilte Verbindungstechnik

Für diese vielfältigen Anforderungen hat Infineon auf der PCIM in Nürnberg jetzt zwei neue CoolSiC XHP 2 Hochleistungsmodule vorgestellt, die 3,3 kV CoolSiC-MOSFETs des Unternehmens verwenden und mit Infineons .XT-Verbindungstechnik ausgestattet sind. Die beiden Module FF2000UXTR33T2M1 und FF2600UXTR33T2M1 sind in einem XHP2-Gehäuse untergebracht und wurden speziell für anspruchsvolle Traktionsanwendungen entwickelt, wie sie in der Bahntechnik typisch sind. Die neuen Module stehen für ausgewählte Kunden bereits als Sample zur Verfügung.

„Für eine umweltfreundliche Mobilität benötigt die Bahntechnik innovative Halbleiterlösungen, die speziell für diese Anwendungen ausgelegt sind“, sagt Dr. Peter Wawer, Division President der Green Industrial Power Division von Infineon. „Mit geringen Schaltverlusten und der Fähigkeit, höhere Schaltfrequenzen zu ermöglichen, tragen die neuen Siliziumkarbid-Produkte von Infineon zu umweltfreundlicheren und leiseren Zügen bei, was für den Zugverkehr von morgen extrem wichtig ist.“

Laut Angaben von Infineon bieten die neuen Leistungsmodule für Traktionsantriebe nicht nur effiziente, robuste und schnell schaltende MOSFET-Chips mit integrierten Body-Diode, sondern auch ein Gehäuse mit geringer Streuinduktivität, das hohe Schaltfrequenzen erlaubt, ein symmetrisches und skalierbares Design, hohe Strombelastbarkeit sowie Aufbau- und Verbindungstechniken, die eine lange Lebensdauer ermöglichen.

Bis zu zehn Prozent weniger Energie

Im On-Status bietet das Modul FF2000UXTR33T2M1 einen RDS(on) von 2,0 mΩ, beim FF2600UXTR33T2M1 liegt der RDS(on) bei 2,6 mΩ. Zudem verbessert die .XT-Verbindungstechnologie von Infineon die Lastwechselfestigkeit selbst bei den anspruchsvollen Lastprofilen von Zügen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ermöglichen die neuen CoolSiC-Leistungsmodule laut Infineon eine Reduzierung des gesamten Energieverbrauchs für Motor und Umrichter des Zuges um zehn Prozent. Darüber hinaus profitieren Zugbetreiber von einem kompakteren und leichteren Umrichter sowie von einem vereinfachten Kühlsystem.

So leistet die Technik nicht nur einen Beitrag zur Dekarbonisierung, sondern es profitieren beispielsweise Anwohner auch von der geringeren Geräuschentwicklung der Züge, wenn diese durch ein Wohngebiet fahren. Denn ein gemeinsamer Feldtest von Siemens Mobility und den Münchner Stadtwerken mit Straßenbahnen hat bereits gezeigt, dass Leistungshalbleiter auf SiC-Basis das Motorengeräusch im Betrieb deutlich reduzieren. (cg)

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