Vergleich der leitungsgebundenen Störemissionen und des Wirkungsgrads von Silizium IGBTs mit Siliziumkarbit MOSFETs als Leistungsschalter in Traktionsinvertern

Abstract

Bei der Elektromobilität entwickeln sich die Reichweite und der Preis des Fahrzeuges zu einer der Schlüsselrollen. Dies hat direkte Auswirkungen auf alle Komponenten des elektrischen Antriebstrangs eines Elektrofahrzeuges (EF). Beim Inverter, der im EF zur Wandlung der Batteriegleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom genutzt wird, um die elektrische Maschine anzutreiben, sind daher ein hoher Wirkungsgrad und geringe Gesamtkosten erstrebenswert. Inverter heutiger EFs basieren typischerweise auf Silizium (Si) Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT). Der Wirkungsgrad dieser Inverter wird meist zwischen 90% und 95% angegeben. Dieser Wirkungsgrad wird jedoch nur im Nennbetriebspunkt des Inverters erreicht. Vor allem im Teillastbetrieb des Inverters verringert sich sein Wirkungsgrad stark. Durch Verwendung von Metall Oxid Feldeffekttransistoren (MOSFET) aus neuen Halbleitermaterialien wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) kann sowohl für den Nennbetriebspunkt als auch im Teillastbereich der Wirkungsgrad des Inverters nennenswert erhöht werden. Dies wird zum einen durch schnellere Schaltzeiten und damit einhergehende geringere Schaltverluste und zum anderen durch geringere Durchlassverluste der Leistungsschalter erreicht. Zusätzlich ermöglicht ein Inverter basierend auf SiC-MOSFETs eine schnellere Taktfrequenz, höhere Betriebsspannungen und weitere Vorteile, wie beispielsweise beim Thermomanagement. Diesen Vorteilen bei Verwendung von SiC-MOSFETs stehen größere leitungsgebunden als auch feldgebunden Emissionen des Inverters gegenüber [1]. In diesem Beitrag soll untersucht werden, wie stark die leitungsgebundenen Störungen eines Inverters beeinflusst werden, wenn Si-IGBTs durch SiC-MOSFETs ersetzt werden. Dazu wird ebenfalls untersucht, in wieweit Veränderungen von Systemgrößen, wie beispielsweise eine Erhöhung der Taktfrequenz und der Batteriespannung, den Wirkungsgrad und die leitungsgebundenen Emissionen des Inverters beeinflussen.