Entwurf einer hocheffizienten hochdynamischen Stromquelle mit SiC-Leistungsteil und Vergleich mit Si-Technologie

Abstract

Der generelle Trend hin zu immer energieeffizienteren und damit kompakteren und flexibleren Geräten hat längst auch im Bereich der Elektrowerkzeuge Einzug gehalten. Dabei spielt das zur Energiewandlung eingesetzte Netzteil eine entscheidende Rolle, da es die Größe und den Wirkungsgrad wesentlich beeinflusst. Der Einsatz neuer Materialien und Technologien auf dem Gebiet der Leistungselektronik macht es möglich, die Energiewandler immer effizienter zu gestalten. Ein großer Schritt in diese Richtung wurde mit Bauteilen aus dem Material Siliziumcarbid (SiC) eingeleitet. Das mit SiC-MOSFETs mögliche verlustarme Schalten von hohen Spannungen, in Kombination mit geringen Leitendverlusten, schafft großes Potential für Konverter mit Ausgangsleistungen von mehreren (zehn) Kilowatt. In dieser Arbeit wird auf die Probleme eingegangen, die beim Umstellen bestehender Systeme auf diese neue Technologie auftreten. Es wird gezeigt, dass die am Markt verfügbaren SiC-MOSFETs auf unterschiedlichen Halbleiterstrukturen aufbauen und sich daraus spezifische Eigenschaften ergeben. Neben einem theoretischen Vergleich werden auch ausgewählte Bauteile messtechnisch untersucht. In der Analyse der Messdaten werden Parameter wie Bauteilgehäuse, Gate-Treiber-Spannungslevel, Sperrschichttemperatur und Gate-Widerstand untersucht. Es wird gezeigt, dass beim schnellen Schalten ein Kelvin-Source-Anschluss für die Gate-Ansteuerung die Schaltverluste beim verwendeten Setup um bis zu 67 % reduziert. Generell stellen vor allem hohe Spannungsänderungsraten von über 110 V/ns eine Herausforderung dar. Diese müssen sowohl beim Design der Leiterplatten, als auch bei der Konzeption der verwendeten Messmethoden berücksichtigt werden. Neben diesen allgemeinen Überlegungen und Schlussfolgerungen zur SiC-Technologie, wird in dieser Arbeit aber auch die Frage beantwortet, welche Vorteile der Einsatz von SiC-MOSFETs in einem galvanisch getrennten, hochdynamischen Konverter mit einer Ausgangsleistung von 10 kW und 800 V Zwischenkreisspannung mit sich bringt. Dabei wird speziell auf die besonderen Anforderungen an die sichere galvanische Trennung eingegangen und deren Auswirkung auf die Gate-Ansteuerung untersucht. Am Beispiel des ZVS Phase-Shift Vollbrückenkonverters wird die Überlegenheit von SiC-MOSFETs gegenüber konventionellen Si-MOSFETs durch Messungen, Simulation und Rechnung gezeigt. In diesem Vergleich stellt sich heraus, dass im Volllast Arbeitspunkt knapp vier Si-MOSFETs notwendig wären, um einen SiC-MOSFET im gleichen Gehäuse und mit vergleichbaren dynamischen Eigenschaften zu ersetzen. Über dies wird gezeigt, dass durch den Einsatz von SiC-MOSFETs die Verluste in den Halbleitern um beinahe das Fünffache gesenkt werden können.

The general trend towards more energy-efficient and thus more compact and flexible devices can be observed in the field of power tools as well. In this context the power supply unit is a key element since it contributes significantly to the overall size and efficiency of the power tool. The ever-growing demands regarding the energy efficiency can be reached by deploying new technologies and materials from the field of power electronics. A big leap forward was initiated by mastering the manufacturing processes for the material Silicon Carbide (SiC), especially for the SiC-MOSFET. This new device allows highly efficient switching even at previously unreached high voltage levels. In this thesis issues arising from the conversion of existing power electronic systems to this new SiC technology are explored. At the beginning, a market analysis illustrates the special properties of commercially available SiC-MOSFETs. In addition to a theoretical comparison, selected components are metrologically examined as well. Thereby the influence of parameters like the device package, gate driver voltage levels, junction temperature and gate resistor are analyzed. The majority of experiments is carried out under high voltage slew rates of up to 110 V/ns, resulting in high demands on the gate-driver circuit and the measurement equipment. For example, a reduction of switching losses of up to 67 % was observed when using a dedicated kelvin-source-pin for the gate driver loop to reduce interferences. Beside these general considerations this thesis also addresses the advantages as well as the disadvantages of deploying SiC-MOSFETs in a real phase-shifted ZVS full bridge converter. Therefore, a galvanically isolated, highly dynamic converter with an output power of 10 kW and a DC-link voltage of 800 V is put into operation and studied. One of the main challenges is to ensure a safe galvanic isolation under the previously mentioned rough conditions of high voltage slew rates. Another goal is to evaluate the performance boost caused by using SiC-MOSFETs instead of conventional Si-MOSFETs. Therefore measurements, simulations and calculations are carried out with the objective of comparing losses in the active components. These calculations show that it would take four Si-MOSFETs with similar dynamic characteristics to withstand the same stress as one SiC-MOSFET at maximum load. In addition, the semiconductor losses are cut to a fifth by using only one SiC-MOSFET instead of four Si-MOSFETs.