Kompakter rückspeisefähiger Antriebsstromrichter mit SiC-JFETs und sinusförmigen Ausgangsspannungen (PDF)

In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz von Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) in der elektrischen Antriebstechnik praktisch untersucht. Die physikalischen Eigenschaften dieses Halbleitermaterials sind hervorragend für die Leistungselektronik, z.B. niedrigerer Durchlasswiderstand bei höherer Sperrspannung und höhere Temperaturbeständigkeit als Silizium.
Verfügbare Leistungsschalter aus SiC vom Typ JFET werden analysiert. Anschließend wird ein neuer Umrichter mit diesen Bauelementen entworfen, aufgebaut, erprobt und untersucht.
Das Ziel ist es, einen neuen kompakten rückspeisefähigen Antriebsstromrichter zu entwickeln, der Sinusspannungen an den Motorklemmen zur Verfügung stellt. Sinusspannungen erhöhen die Lebensdauer des Motors, im Gegensatz zu pulsförmigen Spannungen. Bei einem konventionellen IGBT-Umrichter sind die Filter für die pulsförmigen Wechselrichterspannungen sehr groß, schwer und damit sehr teuer. Der hier entwickelte schaltverlustarme SiC-Wechselrichter kann dagegen mit hohen Schaltfrequenzen (z.B. 125 kHz) betrieben werden, was ein deutlich geringeres Volumen, ein geringeres Gewicht und damit eine Kostenreduktion der Filter mit sich bringt.
Dies soll bei Einhaltung einschlägiger Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erfolgen.

Die Arbeit gliedert sich wie folgt:
Im Kapitel 2 werden die mit den pulsförmigen Ausgangsspannungen eines Antriebsstromrichters verbundenen Probleme erläutert, und eine Lösung vorgestellt.
Im Kapitel 3 werden sowohl die physikalischen Eigenschaften des Siliziumkarbids, als auch verschiedene Leistungshalbleiterbauelemente dargestellt und untersucht.
Das Kapitel 4 widmet sich der gründlichen Analyse des Siliziumkarbid Junction Field Effect Transistors (SiC-JFET), welcher im realisierten Umrichter eingesetzt wird. Die entwickelte Ansteuerschaltung und die Auslegung eines Antriebsstromrichters werden hier ebenfalls beschrieben.
Das Kapitel 5 erklärt die Topologie und den Aufbau des eingesetzten rückspeisefähigen PWM-Stromrichters mit netzfrequent geschaltetem aktiven Gleichrichter.
Das Kapitel 6 beschreibt das Netz- und Motorfilter des Umrichters eingehend, von der Festlegung der Filterkennlinien für Gegen- und Gleichtaktsystem, über die Auslegung der Filter bis zum Aufbau der induktiven Bauelemente.
Zusätzlich zu den bereits dargestellten Messungen werden im Kapitel 7 die wichtigsten Ergebnisse, u. a. die EMV-Messungen, präsentiert.