Vergleich von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern und ihre Anwendung in einem wirkungsgradoptimierten PV-Wechselrichter

Franke, W.-Toke

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von modernen Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern auf Bauteilebene und deren Anwendung auf Schaltungsebene am Beispiel eines wirkungsgradoptimierten Wechselrichters für Photovoltaikanwendungen. Für die Untersuchungen auf Bauteilebene stehen drei Siliziumkarbid (SiC) Leistungshalbleiter und ein IGBT, der den neuesten Stand der Siliziumtechnologie wiederspiegelt, zur Verfügung. Alle Bauteile gehören zur 1200 V-Spannungsklasse und sind für einen Strom von 6 bis 10A klassifiziert. Zu den Siliziumkarbid-Schaltern gehören der Bipolartransistor, der Enhancement Mode JFET und der Depletion Mode JFET. Alle Leistungshalbleiter werden hinsichtlich ihres statischen und dynamischen Verhaltens messtechnisch analysiert, sowie ihre Funktionsweise und Ansteuerung diskutiert. Die Ergebnisse werden in Form eines Vergleichs bewertet. Die SiC-Leistungshalbleiter zeichnen sich durch überragende dynamische Eigenschaften im Vergleich zum Silizium-IGBT aus. Insbesondere die Schaltenergie des Enhancement Mode JFET liegt deutlich unterhalb der Schaltverluste des IGBTs. Bei den Durchlassverlusten kann beobachtet werden, dass der Referenz-IGBT und der Enhancement Mode JFET auf ähnlichem Niveau liegen, während der Bipolartransistor und der Depletion Mode JFET sehr viel höhere Verluste aufweisen. Die Ansteuerung der SiC-Komponenten gestaltet sich relativ aufwendig, da zum einem die Treiber wegen der steilen Schaltflanken robust gegen elektromagnetische Einkopplungen ausgelegt werden müssen und zum anderen die Leistungshalbleiter sehr spezielle Anforderungen an die Ansteuersignale stellen. Der Enhancement Mode JFET zeigt insgesamt die besten elektrischen Eigenschaften und wird für die weiteren Untersuchungen auf Schaltungsebene ausgewählt. Nach einer detaillierten Analyse unterschiedlicher Schaltungstopologien für einen PVWechselrichter werden ein Z-Source-Wechselrichter, ein Neutral-Point-Clamped-Wechselrichter und ein spannungsgespeister zweistufen Wechselrichter analytisch, simulativ und messtechnisch auf ihren Wirkungsgrad und ihr Leckstromverhalten hin untersucht. Für Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter eignen sich besonders der Z-Source und spannungsgespeiste Wechselrichter aufgrund der geforderten Sperrspannungen. Für Photovoltaikanwendungen ist jedoch der Z-Source-Wechselrichter wegen seines geringen Wirkungsgrades nicht relevant, so dass nur der VSI mit Siliziumkarbid-Schaltern realisiert wird. Hierfür wird eine für Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter optimierte Leiterplatte entwickelt, die sich durch sehr geringe Kommutierungsinduktivitäten auszeichnet. Insgesamt kann gezeigt werden, dass der Wirkungsgrad unter Verwendung von Siliziumkarbid- Bauteilen um mindestens 2% gesteigert werden kann. Mit der zweistufigen Topologie können somit mindestens die gleichen Wirkungsgrade wie mit dem dreistufigen NPC-Wechselrichter bei sehr viel weniger Bauteilen erzielt werden. Im Teillastbereich fällt die Steigerung des Wirkungsgrades noch signifikanter aus.

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Franke, W.-Toke: Vergleich von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern und ihre Anwendung in einem wirkungsgradoptimierten PV-Wechselrichter.

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