Untersuchungen zum Einsatz von Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern in Traktionsantriebsumrichtern

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Arvid Merkert

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoktor der Ingenieurwissenschaften
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Axel Mertens, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades20 Dez. 2017
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

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.

Zitieren

Untersuchungen zum Einsatz von Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern in Traktionsantriebsumrichtern. / Merkert, Arvid.
Hannover, 2018. 172 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Merkert, A 2018, 'Untersuchungen zum Einsatz von Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern in Traktionsantriebsumrichtern', Doktor der Ingenieurwissenschaften, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/3258
Merkert, A. (2018). Untersuchungen zum Einsatz von Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern in Traktionsantriebsumrichtern. [Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover]. https://doi.org/10.15488/3258
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school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

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T1 - Untersuchungen zum Einsatz von Siliziumcarbid-Leistungshalbleitern in Traktionsantriebsumrichtern

AU - Merkert, Arvid

N1 - Dissertation

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - 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.

AB - 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.

U2 - 10.15488/3258

DO - 10.15488/3258

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -