Aufbau eines Versuchsmodells eines Auxiliary Resonant Commutated Pole Konverters mit SiC-MOSFETs

Abstract

Leistungstransistoren auf Basis neuer Halbleitermaterialien wie etwa Silizium-Karbid- (SiC-) oder Gallium-Nitrid- (GaN-) MOSFETs stellen einen wesentlichen Fortschritt für zukünftige leistungselektronische Konverter dar, da sie im Vergleich zu bisherigen Technologien wie etwa Silizium-IGBTs geringere Verluste aufweisen und deshalb die Realisierung von Konvertern mit höheren Wirkungsgraden erlauben. Die geringeren Verluste erzielen diese neuen Halbleiterventile allerdings primär durch eine signifikant höhere Schaltgeschwindigkeit, was zur Folge hat, dass sich die du/dt-Werte der Konverter-Ausgangsspannung dramatisch erhöhen, was zu großen Problemen in Zusammenhang mit der gespeisten Last führen kann. Im Falle von Pulsumrichtern für Antriebe beispielsweise kommt es - abgesehen von allgemeinen EMV-Problemen wie Störungsemissionen - durch die hohen du/dt-Werte zu einer extremen Belastung des Isolationssystems des gespeisten Drehstrommotors mit der Gefahr einer beträchtlichen Reduktion der Motor-Lebensdauer. Die Situation verschärft sich noch dadurch, dass sich die Spannungspulse an den Motor-Klemmen durch nun stärker auftretenden Reflexionen am Motorkabel weiter erhöhen können. Ein Einsatz von SiC- bzw. GaN-MOSFETs bei Drehstrommotoren erscheint deshalb nur dann praktikabel, wenn es gelingt, das du/dt am Motor zu reduzieren, ohne aber die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren selbst zu verlangsamen. Hierzu sind mehrere Möglichkeiten denkbar, etwa auch der Einsatz von passiven du/dt-Filtern am Umrichterausgang, welche allerdings eine beträchtliche Baugröße aufweisen und wiederum Zusatzverluste bedingen. Eine interessante Alternative dazu ist deshalb die Anwendung des 'Auxiliary Resonant Commutated Pole'-Konzeptes (ARCP). Diese Schaltungstopologie wurde ursprünglich für GTO-Stromrichter entwickelt um die dort nötige Limitierung des du/dt der Spannung an den Thyristoren sicherzustellen. Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde gezeigt, dass das ARCP-Prinzip gut geeignet ist um bei Umrichtern mit SiC-MOSFETs das du/dt der Ausgangsspannung auf Werte zu begrenzen, wie sie heutige IGBT-Stromrichter aufweisen ohne dass sich die Schaltverluste der Transistoren erhöhen, sondern durch softswitching sogar gesenkt werden. Die Steuerung des ARCP-Konverters ist allerdings von beträchtlicher Komplexität, da sie neben der Grundfunktion auch alle möglichen Stör-Betriebszustände des Konverters abfangen können muss. Im konkreten Projekt wurde eine Hardware-Steuerung unter Verwendung eines Zustandsautomaten entwickelt und mittels eines FPGA implementiert. Es konnte die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des Konverters nachgewiesen werden, allerdings ist für einen zuverlässigen Betrieb ein nicht unerheblicher Zusatzaufwand an Sensorik, Filterung und high-speed Signalverarbeitung erforderlich.

Power transistors based on novel semiconductor materials like SiC- or GaN-MOSFETs represent a significant advantage for future powerelectronic converters due to their low losses in comparison to today's technologies like Si-IGBTs. SiC-/GaN-MOSFETs result in higher converter efficiency which is achieved by high switching speed causing, however, very high dv/dt rates of the converter output/load voltage. For e.g., drives the problem arises that the high dv/dt - besides common EMI issues - in especial stresses the isolation system of the fed motor affecting its life time. This situation even worsens by the fact that the motor terminal voltages may additionally be increased by reflection effects of the motor cable as well as by inhomogeneous transient voltage distribution within the motor. The application of SiC-/GaN-MOSFETs for three-phase motor drives therefore seems to be only adequate if a dv/dt reduction at the motor terminals can be employed without lowering the switching speed of the transistors itself. For this, several variants seem to be possible starting with a passive dv/dt filter between converter output and motor, showing however a considerable size as well as additional losses. An interesting alternative to this is the application of the 'Auxiliary Resonant Commutated Pole' principle. The ARCP topology originally has been developed for GTO converters to guarantee the required dv/dt limitation of the thyristor voltages. The presented thesis analyzes the applicability of the ARCP principle for a SiCMOSFET bridge leg and demonstrates that the concept is able to limit the output voltage dv/dt to rates known from today's IGBT converters keeping the switching losses low due to soft-switching. The thesis also reveals, that the control of the ARCP leg shows substantial complexity because in addition to the basic operating mode also many possible error conditions of the converter have to be handled. Within the project a hardware controller based on a finite state machine has been developed and implemented into a FPGA. The functional capability of the principle could be demonstrated, for a reliable operation of the converter, however, a considerable effort for voltage/current sensing, signal filtering and high-speed digital processing is required.