Design der Ansteuerschaltung eines 6.5 kV SiC-Umrichters für mittelspannungsgespeiste leistungselektronische Konverter

Abstract

Ein aktuelles Forschungsthema in der Leistungselektronik ist die Erweiterung des Einsatzgebiets leistungselektronischer Konverter von Niederspannungs- hin zu Mittelspannungsanwendungen. Die zentralen Motivationen hierbei sind die Effizienzsteigerung, die Bauvolumenreduktion wegen dem möglichen Entfall von großen passiven Systemkomponenten (Netztransformatoren) sowie die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit. Vorangetrieben wird dieser Trend vor allem durch Applikationen, in denen höchste Systemleistungen gefordert werden. Einige Beispiele hierfür sind leistungselektronische Konverter als Versorgungseinheiten großer Rechenzentren oder in der Traktion. Die Herausforderung in der aktuellen Forschung kann in zwei Teilgebiete unterteilt werden: Die Entwicklung abschaltbarer Leistungshalbleiter mit hohem Sperrspannungsvermögen und gleichzeitig geringen Verlusten sowie die Entwicklung von robusten Ansteuerschaltungen für diese Leistungshalbleiter. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, einen Gate-Treiber für eine SiC-Umrichterstufe zu entwerfen, welche Zwischenkreisspannungen bis zu 4 kV (DC) sowie Ausgangsleistungen bis zu 50 kW unterstützt. Der Umrichter soll für einen zukünftigen Versuchsaufbau eines resonanten DC/DC-Konverters auf Basis eines MFTs eingesetzt werden, wobei Grundfrequenzen zwischen 5 kHz und 30 kHz gefordert werden. Die zentrale Aufgabe dieser Arbeit besteht darin, einen kompakten Gate-Treiber für ein SiC-Leistungsmodul der Spannungsklasse 6.5 kV zu entwickeln und dabei die Anforderungen hinsichtlich Isolationsfestigkeit, Selbstschutz, elektromagnetische Störfestigkeit und einfacher Skalierbarkeit zu erfüllen.

One of the current research areas in the field of power electronics is the expansion of the application range of power electronic converters from low-voltage- to medium-voltage-systems. The main motivations for this development are increased efficiency, reduced system volume due to the potential elimination of large passive system components (such as line-frequency transformers), as well as improved economic viability and environmental friendliness. This trend is particularly relevant for applications where very high power levels are required. Some examples of such high-power converters include power supplies for large data centers, traction converters or high-power charging infrastructure. The main challenges within the research can be divided into two sub-areas: The development of medium voltage SiC power devices (bare dies) and the design of robust gate drive systems for such devices. The aim of the present work is to design a suitable gate drive system for a SiC inverter stage that supports DC-Link voltages up to 4 kV (DC) and output power levels of 50 kW. It is intended to be used in a future test setup of a resonant DC/DC-Converter based on medium frequency transformers with fundamental frequencies between 5 kHz and 30 kHz. The challenge in this work is to design a compact gate drive system for medium voltage SiC devices, particularly for a given power module of the voltage class 6.5 kV. Key considerations regarding isolation, protection of the SiC-MOSFET, conducted EMI and scalability to other power modules have to be taken into account during the design-process.