Entwurf, Aufbau und Test eines Hochspannungs-Testimpulsgenerators

Abstract

Eine Forschungsgruppe am Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe an der Technischen Universität Wien beschäftigt sich im Rahmen eines Forschungsprojektes mit der Alterung von Isolationsmaterialien in Motorwicklungen bei umrichter-betriebenen Elektromotoren. Es gibt Anzeichen dafür, dass diese Alterungs-erscheinungen unter anderem besonders auch durch die Schaltgeschwindigkeiten des Umrichters, also der Flankensteilheit der an den Motor angelegten Spannungspulse (du/dt), hervorgerufen werden. Das Bestreben der Hersteller von Umrichtern und Halbleitern ist es jedoch, genau diese Schaltgeschwindigkeiten zu erhöhen, um die Schaltverluste im Umrichter zu senken und damit den Wirkungsgrad zur verbessern. State-of-the-art Power-Semiconductor für Traktionszwecke schalten laut Datenblatt-Angaben mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10kV/-s, im Falle von Silizium-Karbid Halbleiterschaltern sogar noch deutlich schneller (20...40kV/-s, also z.B. 4000V in ca. 100ns (Stand 2016)). Ziel des universitären Forschungsprojektes ist es, die Auswirkungen sehr hoher du/dt-Werte auf die Alterung der Wicklungsisolation des Motors zu betrachten, da letztlich die Vorteile derartiger Leistungstransistoren praktisch nur dann genutzt werden können, wenn die Lebensdauer der Wicklung nicht beeinträchtigt wird. Im Zuge dieser Diplomarbeit wird zur späteren Verwendung in Isolations-Alterungstests ein Hochspannungsimpulsgenerator entwickelt. Dazu wird zunächst eine Gleichspannung bis zu 4000V mittels Spannungskaskade erzeugt und diese über einen schnell-schaltenden Hochspannungs-MOSFET (IXTL2N450 Fa. Ixys) bzw. alternativ über einen Hochspannungs-IGBT (IXEL40N400 Fa. Ixys) auf eine Testwicklung impulsmäßig aufschaltet. Die Ansteuerung der Leistungstransistoren erfolgt über einen potentialgetrennten Gatetreiber on-board, welcher über einen externen TTL-Impulsgenerator getaktet werden kann. Die du/dt-Werte können dabei durch Variation des Gate-Vorwiderstandes beeinflusst werden. Getestet und gemessen wurden folgende Werte: - geschaltete Spannung: UDS bzw. UCE bis zu 3700V - geschaltete Stromimpulse: ID bzw. IC bis 8A - Spannungsanstieg: du/dt bis 40kV/-s (entspricht 4000V in 100ns) - Repetitionsfrequenz: bis zu 500Hz

Presently, a research group at the Institute of Energy Systems and Electrical Drives at the TU Wien runs a project on the aging of isolation systems for inverter-fed electrical motors for traction applications. There are some indicators that the aging of motor winding systems besides other parameters especially is influenced by the dv/dt-rates of the inverter output voltage. The switching speed of modern power transistors however has increased significantly in the last years by the manufacturers in order to reduce switching losses for maximizing the inverters efficiency. State-of-the-art power transistors for traction drives today are switching showing dv/dt-rates of up to typically 10kV/-s and even more, if silicon carbide devices are used (e.g. 20...40kV/-s for SiC MOSFETs, i.e. a turn-off of 4000V in 100ns, status of 2016). Aim of the research project mentioned above therefore is the analysis of the influence of high dv/dt-rates on the motor aging, because modern power semiconductors seem to be applicable for traction drives only if the machine's winding isolation system is able to withstand high dv/dt without any reduction of the life cycle. Within this thesis a high-voltage test-pulse generator has been developed which will be used for isolation aging tests on winding systems in future project status. The unit is equipped with a capacitive voltage multiplier cascade generating a DC link voltage up to 4000V. This voltage is chopped into pulses of high dv/dt rate by a high-voltage MOSFET (IXTL2N450 of Ixys) or, alternatively, high-voltage IGBT (IXEL40N400, Ixys) in combination with a SiC free-wheeling diode array. The pulses finally are applied as testing signal to the motor winding. The dv/dt-rate of the pulses can be adjusted by IGBT/MOSFET-s gate resistor of the isolated gate driver. The following key specifications have been achieved: - voltage level: UDS / UCE up to 3700V - current level: ID / IC up to 8A - dv/dt-rate: up to 40kV/-s (i.e., 4000V in 100ns) - pulse repetition rate: up to 500Hz