SiC-Bauelemente in der elektrischen Antriebstechnik

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Je höher die Schaltgeschwindigkeit, desto mehr spielt die Motor-Konstruktion, die verwendeten Materialien (Metall- oder Kunststoffgehäuse), das Erdungskonzept und die Geometrie der Installation eine Rolle. Wenn der Umrichter direkt am Motor montiert oder gar in den Motor integriert ist, sind die Verbindungsleitungen nur wenige mm oder cm lang. Hier kann die elektromagnetische Kopplung und Abstrahlung trotzdem gravierend sein, da das Kabel als Hochfrequenzfilter dazwischen fehlt. Abhilfe schaffen optimierte Gehäuse und Konstruktionen, die einen bestmöglichen elektromagnetischen Schirm bilden.

Eine durchaus gängige Lösung ist die Verwendung von Filterelementen zwischen Umrichter und Motor. Angefangen von kleinen EMV-Ferriten, über dv/dt-Filter bis hin zu Sinusfiltern, die zur vollständigen Glättung der modulierten Schaltfrequenz vorgesehen sind.

Effekt 2 betrifft die Isolation: Ein hohes dv/dt ist vor allem dann problematisch, wenn der Elektromotor ohne Filter mit dem Umrichter verbunden ist. Die Wicklungen im Elektromotor bestehen meist aus Lackdraht, welcher eine hohe Spannungsfestigkeit zwischen den einzelnen Windungen garantiert. Dies gilt sowohl bei Gleichspannung als auch bei niederfrequenter Wechselspannung, ebenso auch bei hohen Temperaturen.

Ein hohes dv/dt ist allerdings eine kritischere Anforderung, welche die Homogenität und Qualität einer Isolation auf die Probe stellt und Schwächen offenbart. Bei Teilentladungsprüfungen, die auf demselben Prinzip basieren, nämlich den Ladungsausgleich einer Isolation bei hohem dv/dt zu messen, wird dieser Effekt genutzt, um Isolationen zu qualifizieren. Für die Wicklung im Elektromotor gilt: Je höher die Schaltgeschwindigkeit, desto höher die Wahrscheinlichkeit einer Teilentladung und damit das Risiko eines Windungsschlusses.

Effekt 3 betrifft die Lagerspannung: Ein weiterer Effekt, der bei zu hohem dv/dt auftritt, sind elektrostatische Überschläge an den Lauflagern eines Motors aufgrund der kapazitiven Kopplungen zwischen geerdetem Gehäusen, Stator und Rotor. Dies führt zu kleinen „Einbrennpunkten“ an den Lagern, was langfristig deren Lebensdauer beeinträchtigt.

So kann man dem hohen dv/dt begegnen

Aufgrund der problematischen Punkte, die durch hohe Schaltgeschwindigkeiten in einem Antriebssystem auftreten, kann der Einsatz von schnell schaltenden SiC-Bauteilen trotz ihrer Vorteile etwas fraglich erscheinen. Wie kann man nun dem hohen dv/dt begegnen?

Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Ausgangsfilters: Es gibt Anwendungen, bei denen ohnehin Sinus-Filter eingesetzt werden. Dies ist dann der Fall, wenn geschirmte Leitungen nicht vorhanden, nicht möglich oder nicht wirtschaftlich sind, oder um die Hörbarkeit der Schaltfrequenz zu minimieren. In Anwendungen mit Sinus-Filtern ist es daher sinnvoll, sowohl die Schaltfrequenz (f_SW) als auch die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Wenn beispielsweise mit f_SW = 40 kHz anstatt mit f_SW = 4 kHz gearbeitet werden kann, wird der Filter erheblich kleiner und preiswerter und somit die Leistungsdichte erhöht. Ein weiterer Vorteil für das Gesamtsystem ist die deutlich verbesserte Regeldynamik.

Bei Anwendungen, die bisher keinen Sinusfilter verwenden, kann es im Zusammenhang mit SiC-Bauteilen wirtschaftlicher sein, schnell zu schalten und einen zusätzlichen Filter einzusetzen. Damit wird zwar ein Teil der Verluste in den Filter verlagert, aber der Umrichter wird hocheffizient und mit maximaler Leistungsdichte betrieben.

Eine andere Möglichkeit dem hohen dv/dt zu begegnen ist die Optimierung der Schaltgeschwindigkeit: Das Reduzieren bzw. Kontrollieren der Schaltgeschwindigkeit ist bereits heute gängige Praxis beim Einsatz von Si-Bauteilen in der Antriebstechnik. Wie jedoch lässt sich ein SiC-Bauteil optimal schalten? Am Beispiel des SiC-BJT kann gezeigt werden, dass ein kontrolliertes dv/dt ohne zusätzlichen Aufwand möglich ist.

In Bild 5 (das Sie in der Bildergalerie des Online-Artikels mit der Beitragsnummer 42357860 finden) wird sichtbar, dass sowohl der Kollektorstrom des BJTs als auch die Treiberspannung und der Basisstrom Einfluss auf die Einschalt- und Ausschaltgeschwindigkeit haben. Damit lässt sich die Schaltgeschwindigkeit mit einfachen Mitteln kontrollieren. Die Treiberschaltung hierzu besteht lediglich aus einer unipolaren Schaltung und einem Basis-Vorwiderstand (siehe Bild 4 in der Bildergalerie).

Ein Beispiel mit SiC-BJT-Baustein FSBH15H120: Treiber-IC an V_CC = 6 V mit R_b = 4 Ω. Daraus resultiert ein Basisstrom von I_b = 0,5 A. Die Basis-Emitter-Spannung des SiC-BJT beträgt etwa 3,0 V. Der Spannungsabfall am Treiber ist abhängig vom Innenwiderstand des Treiberbausteines und dem fließenden Strom und beträgt in diesem Beispiel 1 V. Es resultiert eine Einschaltgeschwindigkeit von dv/dt = 5 kV/µs bei I_c = 10 A an einer Busspannung von 600 VDC.

Basierend auf den bisherigen Erläuterungen profitieren hauptsächlich Anwendungen mit Ausgangsfiltern von den neuen Technologien, denn hier führt auch die Möglichkeit schneller zu schalten zu erheblichen Vorteilen und Einsparungen im System. Doch auch ohne Einsatz von Filtern führt die erhöhte Leistungsdichte zu kompakteren bzw. effizienteren Systemen. Damit sind beispielsweise höhere Leistungen in bestehenden Systemdimensionen möglich.

Robustheit, wie etwa Kurzschlussfestigkeit, ist gerade in der elektrischen Antriebstechnik eine wichtige Eigenschaft und kann aufgrund der thermisch vorteilhaften Charakteristiken kleinerer Chipfläche mit den meisten Technologien sehr gut realisiert werden. Auch wenn die Ansteuerung des SiC-BJT etwas unkonventionell scheint, überwiegen doch die Vorteile, die das Bauteil durch Performance, Temperaturstabilität, Robustheit und ein gut kontrollierbares dv/dt mit sich bringt. SiC-Bauteilen in der elektrischen Antriebstechnik wird zu Recht in verschiedenen Prognosen zur Marktentwicklung ein stark wachsender Anteil zugewiesen.

* Steffen Möhrer ist Field Application Engineer Motion Control Europe bei Fairchild Semiconductor.

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