Entwurf eines zweisträngigen resonanten Halbbrückenschalters mit SiC MOSFETs zur Reduktion der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei Wechselrichtern

Abstract

Wide-Bandgap Materialien haben in der Halbleitertechnik die Herstellung immer effzienterer und kompakterer Leistungselektronik ermöglicht. Sehr vielversprechend sind unter anderem Leistungstransistoren auf Basis von Siliziumcarbid (SiC), welche durch besonders schnelles Schalten eine Reduktion der Schaltverluste ermöglichen. Allerdings ergeben sich durch das schnellere Schaltverhalten dieser Transistoren nicht nur Vorteile, sondern bedingt durch die erhöhte Spannungsanstiegsgeschwindigkeit auch wesentliche Nachteile, die vor allem in der Leistungselektronik zu Problemen führen die es zu berücksichtigen gilt. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht einerseits schnelle Halbleiterschalter zu verwenden aber dennoch die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung gering zu halten, um damit verbundene Probleme zu vermeiden. Es wird ein zweisträngiger resonanter Halbbrückenschalter auf Basis von SiC MOSFETs entworfen, aufgebaut und getestet, der eine Phase eines mehrphasigen Wechselrichters darstellt. Damit kann die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit am Ausgang um mehr als den Faktor zehn verringert werden, ohne dass die tatsächliche Schaltgeschwindigkeit in den Transistoren und damit einhergehenden höheren Schaltverlusten, verringert werden muss. Das zugrunde liegende Konzept verwendet zwei parallele Halbbrückenzweige die über eine Saugdrossel miteinander gekoppelt sind. Durch exaktes, zeitversetztes Schalten der Zweige, kann mit Hilfe eines Resonanzkreises, bestehend aus der Streuinduktivität der Saugdrossel und im Idealfall nur der Motor-Zuleitungskapazität, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit am Ausgang nahezu beliebig eingestellt werden. Ein besonderer Vorteil dieser Methode ist, dass der Drosselkern sehr klein im Verhältnis zum Ausgangsstrom ausgelegt werden kann, da sich die magnetischen Flüsse durch die Saugdrosselkonfiguration im Kern kompensieren. Damit ist es im Prinzip möglich, diese Methode auch für größere Ausgangsleistungen kostengünstig einzusetzen. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich auch mit der Simulation und dem Aufbau dieser benötigten Saugdrosseln. Es wird ein zweisträngiger resonanter Halbbrückenschalter für eine Ausgangsspannung von 600 V bei einem Ausgangsstrom von 40 A und einer maximalen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung von 6 kV / μs dimensioniert, aufgebaut und gezeigt, dass dieses Konzept funktioniert und eingesetzt werden kann.

In semiconductor technology, wide-bandgap materials have enabled the production of increasingly efficient and compact power electronics. Power transistors based on silicon carbide (SiC), which enable a reduction in switching losses through particularly fast switching, are very promising. However, the faster switching behaviour of these transistors not only has advantages, but also significant disadvantages due to the increased voltage slew rate, which lead to problems that must be taken into account, especially in power electronics.In this work a method is presented, which allows to use fast semiconductor switches on the one hand but still to keep the voltage slew rate of the output voltage low to avoid related problems. A two-leg resonant half-bridge switching cell based on SiC MOSFETs is designed, built and tested, representing one phase of a multiphase inverter. This allows the voltage slew rate at the output to be reduced by more than a factor of ten without the need to reduce the actual switching speed and associated increased switching losses in the transistors.The underlying concept uses two parallel half-bridge branches coupled via a combiner choke. By precisely switching the branches with a time delay, the rate of voltage rise at the output can be set almost arbitrarily with the aid of a resonant circuit consisting of the leakage inductance of the combiner choke and, ideally, only the motor supply lead capacitance. A particular advantage of this method is that the choke core can be designed to be very small in relation to the output current, since the magnetic fluxes are compensated for by the combiner choke configuration in the core. Thus, in principle, it is possible to use this method cost-effectively for larger output powers. Part of this work also deals with the simulation and design of these required combiner chokes. A two-leg resonant half-bridge switching cell for an output voltage of 600 V at an output current of 40 A and a maximum voltage slew rate of the output voltage of 6 kV / μs is designed, built and it is shown that this concept works and can be used.