Nicht zuletzt der Ausbau erneuerbarer Energien hat der Leistungselektronik einen innovativen Schub gegeben. Neue IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) halfen, den Wirkungsgrad von Wechselrichtern wesentlich zu verbessern. Denn sie lassen sich wie MOSFETs nahezu leistungslos ansteuern, haben aber in leitendem Zustand auf der Kollektor-Emitter-Strecke ähnlich geringe Verluste wie bipolare Transistoren. In jüngerer Vergangenheit machen neue Halbleitermaterialien von sich reden. Transistoren auf Basis von SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid) erlauben nicht nur höhere Schaltfrequenzen und Ströme, sie beschleunigen auch den Schaltvorgang und steigern den Wirkungsgrad von rund 95% weiter in Richtung 98% und darüber hinaus. Auch wenn dies auf den ersten Blick nicht dramatisch erscheinen mag, lassen sich mit den neuen Komponenten die Energieverluste um rund Faktor 3 reduzieren. Dies hat positive Auswirkungen auf die Wärmeentwicklung.
Mit dem Mega-Trend hin zur Elektromobilität zählt jeder Prozentpunkt beim Wirkungsgrad mindestens doppelt. Denn geringere Energieverluste verbessern bei gleicher Batteriekapazität die Reichweite. Weniger Abwärme bedeutet ausserdem weniger Aufwand für die Kühlung und damit weniger Gewicht. Mit entsprechend positivem Effekt bei Reichweite und Beschleunigung. Hinzu kommt, dass die neuen Materialien generell für höhere Temperaturen ausgelegt sind und somit effektiver gekühlt werden können. Heute lässt sich unschwer voraussagen, dass die Elektromobilität die Entwicklung innovativer Komponenten und Konzepte in der Leistungselektronik weiter beschleunigen wird.
Elektrorenner beschleunigt unter 2 s von 0 auf 100 km/h
An der Hochschule München entwickeln Studenten in Zusammenarbeit mit MunicHMotorsport jedes Jahr einen elektrisch betriebenen Rennwagen, der in der Formula Student Electric (FSE) zum Einsatz kommt. Der Bolide wiegt weniger als 200 kg und beschleunigt von 0 auf 100 km/h in knapp 2 s. Dafür sorgen vier direkt an den Radnaben sitzende Drehstrommotoren, die zusammen maximal 128 kW Leistung (174 PS) auf die Strasse bringen. Den nötigen «Sprit» liefert ein Hochvoltakku, der die beiden Zwischenkreise mit Spannungen bis 600 V speist. Diese bestehen überwiegend aus grossen Kondensatoren und liefern die Energie für vier Wechselrichter. Jeder der vier Synchronmotoren wird über eine eigene Wechselrichterbrücke versorgt, in der SiC-MOSFETs aus dem Hause Wolfspeed zum Einsatz kommen. Damit Phasenströme von bis zu 100 A möglich werden, sind jeweils zwei MOSFETs parallel geschaltet. Um den Abstand zwischen SiC-MOSFET und Gate-Treiber gering zu halten, wird jedes der Leistungsschalterpaare über einen eigenen Gate-Treiber angesteuert. Die Treiber sorgen nicht nur für extrem steile Schaltflanken, sie trennen auch die auf wechselnden Potenzialen «floatenden» Gates der Brückenschaltung galvanisch vom festen Potenzial der Steuerelektronik.
Aber das ist nur die halbe Miete. Denn für jeden der insgesamt 24 Treiber werden Spannungen von +20 und –5 V benötigt, um einerseits steile Schaltflanken zu realisieren und andererseits ein fehlerhaftes Wiedereinschalten auszuschliessen. Diese Versorgungsspannungen müssen ebenfalls galvanisch vom 12-V-Bordnetz getrennt und hoch isoliert sein.
Duale Ausgänge halbieren die Zahl der nötigen DC/DC-Wandler
Im Prinzip benötigt jeder der Treiber zwei DC/DC-Wandler – in der beschriebenen Applikation mit vier Motoren also 48 Stück. Um den Aufwand zu halbieren, hat Recom speziell zur Versorgung moderner SiC-MOSFET-Treiber eine Reihe von DC/DC-Wandler entwickelt, die über duale, asymmetrische Ausgänge verfügen. Die RxxP22005D-Serie liefert +20 und –5V, wie sie für die in der beschriebenen Applikation eingesetzten Treiber erforderlich sind. Die neuen Wandler arbeiten mit «Power Sharing» und lassen sich sowohl mit gleicher Leistung und asymmetrischem Strom als auch mit gleichem Strom und asymmetrischer Leistung betreiben. Eingangsseitig sind die Module mit 5, 12, 15 und 24 VDC verfügbar. Besonderes Augenmerk wurde auf die Isolationsfestigkeit gelegt, die mit 5,2 kVDC für 1 min besonders hoch ist. Denn SiC-MOSFETs werden meist mit Frequenzen um 100 kHz und sehr steilen Flanken betrieben, sodass die Isolationsbarriere der DC/DC-Wandler permanentem Stress ausgesetzt ist. Durch in der Schaltung «versteckte» parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten können Schaltspitzen entstehen, die deutlich höher sind als sie aufgrund der Schaltungstopologie zu erwarten wären. Solche Spannungsspitzen sind messtechnisch nur schwer zu erfassen. Daher ist es ratsam, bei der Dimensionierung schneller Leistungsschalter genügend Sicherheitsreserven einzuplanen. Ähnliches gilt für die Höhe der zulässigen Betriebstemperatur, die bei der RxxP22005-Serie mit bis zu +95 °C besonders gut ist.
SiC-MOSFETs- und IGBTs-Applikationen
Applikationen für schnelle Leistungsschalter gibt es in allen Bereichen der Leistungselektronik – neben Wechselrichtern auch in Frequenzumrichtern, Induktionsöfen, Schweissanlagen, Motorsteuerungen und vielem mehr. Dabei kommen überwiegend IGBTs zum Einsatz, die aus Kostengründen den Massenmarkt dominieren. Wie SiC-MOSFETs müssen auch IGBT-Treiber mit zwei Spannungen versorgt werden – in der Praxis haben sich +15 und –9 V bewährt. Auch für IGBT-Applikationen stellt Recom eine grosse Familie von DC/DC-Wandlern zur Verfügung, die ebenfalls mit dualen, asymmetrischen Ausgängen ausgestattet sind.
Die einzelnen Wandlerserien unterscheiden sich in der Bauform und darüber hinaus in der Isolationsfestigkeit, da für viele Applikationen Isolationsspannungen von 3 oder 4 kV für 1 s völlig ausreichend sind. Darüber hinaus gibt es für IGBT- und SiC-MOSFET- Applikationen noch eine Vielzahl von Wandlern mit Single-Ausgang.
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