Design und Aufbau eines SiC-Doppel-Antriebsumrichter-Prototyps mit Berechnung und Verifizierung der Verlustleistung so wie der Strombelastung des Zwischenkreiseskondensators

Abstract

Diese Masterarbeit befasst sich mit dem Design, Aufbau und der Herstellung eines auf Siliziumkarbid (SiC) basierenden Doppel-Antriebsumrichters, sowie der analytischen Berechnung und messtechnischen Validierung der Verlustleistung und der Zwischenkondensator-Strombelastung. Der Wechselrichter ist als Ersatz für den aktuellen Wechselrichter des Formula Student Teams TU Wien Racing konzipiert, welcher auf Isolated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) Technologie basiert. Daher muss der gefertigte Prototyp die Anforderungen des Formula Student Regelwerks und die vom Team gestellten Spezifikationen erfüllen. Mit den signifikanten Vorteilen moderner Wide-Bandgap-Bauelemente, wie zum Beispiel SiC, wurde besonderes Augenmerk auf die Reduzierung der Gesamtverluste desWechselrichters sowie der Einsparrung an Gewicht und Volumen gelegt. Die Verluste der Transistoren der B6-Brücke wurden zunächst in mehreren Arbeitspunkten, die durch den Ausgangsstrom des Wechselrichters und die Zwischenkreisspannung definiert sind, analytisch berechnet. Diese Ergebnisse wurden dann validiert durch den Betrieb des Prototyps in diesen Arbeitspunkten mit gleichzeitiger Messung der Gesamtverluste mit einem Power Analyzer. Des Weiteren wurde der Strom des Zwischenkreiskondensators in denselben Leistungspunkten analytisch berechnet und anschließend durch Messungen validiert. Diese Messungen sind außerdem verwendet worden, um das spannungsabhängige Verhalten der CeraLink Zwischenkreiskondensatoren zu zeigen.

This master thesis deals with design, construction and manufacturing of a Silicon Carbide (SiC) based Dual-Motor-Inverter, as well as analytical calculation and measurement validation of the Inverter power losses and DC-link capacitor current stress. The inverter is designed as replacement for the current inverter of the Formula Student Team TU Wien Racing, which is based on Isolated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) technology. Therefore, the manufactured prototype has to fulfil the requirements of the Formula Student rulebook and the requirements specified by the team. With the significant advantages of modern wide-bandgap-devices, such as SiC, special attention was placed on reducing the over all losses of the inverter and reducing its size and weight. The losses of the transistors of the B6 bridge were first analytically calculated in several power points. These points are defined by the output current of the inverter and the DC link voltage. These results were then validated by operating the prototype in these power points and consequently measuring the total losses with a Power Analyzer. Furthermore, the DC link capacitor current was calculated analytically in those same power points and after that validated by measurement. These measurements were also used to show the voltage-dependent behavior of the CeraLink DC link capacitors.