Optimierte Ansteuerung von IGBTs in Abhängigkeit der Chiptemperatur und Zwischenkreisspannung zur Minimierung der Verlustenergie

Abstract

Der Betrieb von Stromrichtern zur Ansteuerung von Elektromotoren mithilfe von Insulated-Gate Bipolar Transistoren (IGBT) geht mit allerlei Verlustenergien einher, die es möglichst zu minimieren gilt. Die IGBTs werden über Gate-Treiber mit Steuersignalen versorgt, die im konventionellen Fall konstant sind und sich nicht dynamisch an den Betriebspunkt anpassen. Dabei geht einiges an Minimierungspotential mit Bezug auf Verlustenergien verloren, welche in Anbetracht der Vorteile genutzt werden sollte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten des IGBT-Halbbrücken-Moduls CM600DA-66X von Mitsubishi-Electric untersucht, um herauszufinden, wie sich die Verlustenergien, genauer die Schaltverluste, bei unterschiedlichen Betriebspunkten äußern, mit Einbezug der betriebslimitierenden Größen der Safe-Operating Area. Dies geschah mithilfe von Doppelpulstests, ermöglicht durch eine Hochspannungsmessinfrastruktur, wo im Rahmen der Messungen die Zwischenkreisspannung, die Betriebstemperatur, die Gate-Emitter-Spannung, der Gatewiderstand und der Schaltstrom variiert wurden. Daraus wurden die Schaltenergien, und die betriebsbeschränkenden Größen, wie die maximale Diodenleistung, die maximale Spitzenspannung und die maximale Änderungsrate der Transistorspannung ermittelt und mit geeigneten Funktionen für analytisch/numerische Betrachtungen interpoliert. Darauf basierend wurden optimierte Ansteuerstrategien entwickelt, welche die Ansteuerspannung und die Widerstandskonfiguration dynamisch dem vorliegenden Betriebspunkt anpasst und dadurch erfolgreich die Schaltverluste unter Einhaltung der Betriebsgrenzen minimiert. Die Arbeit erfolgte in Kooperation mit der Entwicklungsabteilung für Traktionsumrichter der Siemens Mobility Austria GmbH, zum Zwecke der Erlangung neuer Erkenntnisse zur Reduktion der Verluste der entwickelten Stromrichter.

The operation of power converters to control electric motors using insulated gate bipolar transistors (IGBT) is associated with all kinds of energy losses, which must be minimized as far as possible. The IGBTs are supplied with control signals via gate drivers, which in conventional case are constant and do not adapt dynamically to the operating point. In doing so, potential for minimizing energy loss is lost, which should be used in view of the advantages. As part of this work, the behavior of the IGBT half-bridge module CM600DA-66X from Mitsubishi Electric was examined in order to find out how the energy losses, more precisely the switching losses, appear at different operating points, including the Operation-limiting variables of the safe-operating area. This was done with the help of double-pulse tests, made possible by a high-voltage measurement infrastructure, where the DC-link voltage, the operating temperature, the gate-emitter voltage, the gate resistance and the load current were varied as part of the measurements. From this, the switching energies and the operationally limiting variables such as the maximum diode power, the maximum peak voltage and the maximum rate of change of the transistor voltage were determined and interpolated with suitable functions for analytical/numerical considerations. Based on this, optimized feed-forward control strategies were developed, which dynamically adapt the control voltage and the resistor configuration to the existing operating point and thus successfully minimize the switching losses while complying with the operating limits. The work was carried out in cooperation with the development department for traction converters at Siemens Mobility Austria GmbH, for the purpose of obtaining new insights into reducing the losses of the converters developed.