Untersuchungen zum Einsatz von Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern in Traktionsantriebsumrichtern

Abstract

Leistungstransistoren auf Basis neuer Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid ermöglichen bisher unerreicht niedrige Schaltverlustenergien und verbesserte Durchlasseigenschaften bei gleichzeitig geringerer Chipfläche. Durch den aktuellen Trend der Elektrifizierung der Individualmobilität entsteht zunehmend die Anforderung, stetig kompakter und leistungsfähiger werdende leistungselektronische Wandler bei widrigen Umweltanforderungen im Fahrzeug zu integrieren. Aus diesen aktuellen Entwicklungen resultiert die Fragestellung, inwiefern die neuen Halbleitertechnologien nutzbringend im Anforderungsumfeld eingesetzt werden können. Nachdem die Eigenschaften und der Entwicklungsstand der neuen Halbleitertechnologien dargestellt sind, wird die Kommutierungszelle als Basiselement aller Wandlertopologien eingeführt. Bei Forschungsvorhaben mit Hinblick auf die Elektromobilität untersuchte Wandlertopologien mit Spannungs-, Strom und Impedanzzwischenkreis werden anhand analytisch abgeleiteter Gütekriterien verglichen. Im Ergebnis zeigt der Hochsetzsteller-Wechselrichter insgesamt die vielversprechendste Charakteristik. Anhand generischer Halbbrücken-Eigenschaftsmodelle werden beim Vergleich zwischen den Silizium-IGBTs und Siliziumcarbid-JFETs beim Wechselrichter und Hochsetzsteller-Wechselrichter Unterschiede der Technologien aufgezeigt. Die Analyse ergibt bei SiC-JFETs eine signifikante Verbesserung der Güteparameter Chipfläche und Wirkungsgrad. Im Rahmen der Labormusterentwicklung werden die Speicherdrossel, Zwischenkreiskondensator, Kühlung und Gatetreiber analysiert. Beim Hochsetzsteller-Wechselrichter ermöglichen die Phasenzahl des Hochsetzstellers und das Steuerverfahren eine zusätzliche Zwischenkreiseffektivstromentlastung. Per Frequenzbereichsanalyse werden verbesserte Steuerverfahren für den Betriebsverbund ermittelt. Der entworfene SiC-Gate-Treiber ermöglicht zuerst die detaillierte Analyse des Schaltverhaltens der Verarmungstyp-Transistoren und nachfolgend den sicheren Betrieb eines Labormusters. Zur Aufnahme der Stromtransienten in der niederinduktiven Kommutierungszelle ist das Messkonzept einer Rogowskispule mit Offline-Integration implementiert worden. Zur Leistungshalbleiterkühlung wurde das bekannte Konzept einer direkten Bodenplattenkühlung für das beigestellte Prototyp-Halbleitermodul angepasst, am Beispiel einer Halbbrücke charakterisiert und ins Labormuster integriert. Durch die temperaturabhängige Spannung der Gate-Diode des Sperrschicht-Transistor konnte die thermische Impedanz dieses Kühlsystem gemessen werden. Um bei hohen Schaltfrequenzen und Umgebungstemperaturen einen volumenreduzierten Zwischenkreis aufzubauen, wurden Keramikkondensatoren mit anti-ferroelektrischem Keramik-Dielektrikum verwendet. Aktuelle gekoppelte Methoden zur analytisch-numerischen Verlustberechnung in magnetischen Bauelementen werden bei der Dimensionierung der Drossel angewendet und ermöglichen ein kompaktes Design. Die a priori modellbasiert ermittelten Güteparameter sind mit dem erfolgreichen Betrieb des aufgebauten Wandlersystems und daraus gewonnenen Messdaten abschließend belegt. Zentrale Beiträge dieser Arbeit sind neben der Überprüfung der entwickelten Ansätze zur Technologiebewertung auch die Konzepte zur Volumenreduktion sowie die entwickelten Messmethoden.

Power transistors based on new semiconductor material like silicon carbide reach unmatched low switching loss and improved conduction characteristics with smaller chip area at the same time. Driven by the actual trend of electrification in individual mobility systems, vehicular integrated power electronic converters require continuous improvement of power density and robustness at harsh environmental conditions. The question, in what extent the new semiconductor technologies can contribute beneficially to this application, ultimately arises from these contemporary developments. After giving a resume on the actual development status of the semiconductor technologies, the commutation cell is introduced as essential element yielding the foundation for all power electronic converter topologies. Subsequently, power electronic converter topologies which have been in the focus in hybrid or electric vehicle drive train research are compared. Generic figures of merit for different types of voltage-, current- and impedance-source converters were derived for this comparison and point to the step-up converter with inverter as most promising candidate. In order to examine this result, scalable behavioural loss-models are used for the technology-assessment of silicon IGBT and silicon carbide JFET based inverter and step-up converter with inverter systems. Resulting in significant superior chip area and efficiency with JFETs, this assessment justifies the development laboratory prototype, during which, inductor, DC-link, cooling and gate driver are analysed. The addition degree of freedom concerning the number of phases of the step-up converter as well as a coordinated converter-inverter pulse patterns have been used to reduce the current load of the DC-link. A frequency domain analysis method was used to generate the optimized pulse pattern control and a four phase step-up converter was selected for prototype realisation. Since the depletion mode behaviour of the JFET requires additional effort regarding the safe system operation and start-up, known approaches were reviewed and a gate driver with high speed high voltage redundant flyback power supply is derived and developed. Variants of this gate driver enabled a detailed analysis of the switching transients of the silicon carbide JFET half bridge and later a safe operation of the system prototype. A purpose-developed Rogowski Coil with offline-integration is introduced for the measurement of the current transients in the low inductive commutation cell. A know direct cooling concept was adapted and finally integrated into the laboratory system to cool the substrates of the provided baseplate less silicon carbide half bridge modules. Beforehand integration, the thermal impedance of a single module was successfully characterized by detecting the temperature-sensitive gate-source-diode of the JFET. To utilize the capacitor volume reduction effect of high switching frequencies at high environmental temperatures a ceramic capacitor with anti-ferroelectric dielectric was selected. For the inductors actual methods of combined analytic numeric loss calculation where applied for the dimensioning to enable a compact component. By successfully operating and characterizing the laboratory prototype a verification of the model based a priori defined figures of merit could be achieved. Major contributions of this work are the developed technology assessment methods as well as concepts for volume reduction and measurement methods.