Mit zunehmendem technologischen Fortschritt und der Verfügbarkeit in höheren Spannungsklassen werden SiC-MOSFETs immer attraktiver für Traktionsapplikationen. Ein Austausch der bisher im Traktionsumrichter vorwiegend eingesetzten Si-IGBTs verspricht, die Effizienz zu erhöhen, Bauraum zu sparen und das Gewicht zu reduzieren. Ungeklärt ist, wie hierbei das Potenzial der SiC-Halbleiterbauelemente höchstmöglich ausgenutzt und ein sicherer Betrieb gewährleistet werden kann.
Aufbauend auf den halbleiterphysikalischen Grundlagen werden in dieser Dissertation die fundamentalen Fragen zur optimalen Ansteuerung, Schutz und Robustheit der neuen Halbleiterbauelemente in den Umgebungsbedingungen des Traktionsumrichters beantwortet. Die Schaltvorgänge werden unter Einhaltung der Bauelementgrenzen optimiert. Hierbei wird neben messtechnischen Untersuchungen ein generisches SiC-MOSFET-Simulationsmodell vorgestellt und als Hilfsmittel verwendet. Zusätzlich werden die Kurzschlussfestigkeit der Halbleiterbauelemente untersucht und die möglichen Fehlerfälle im Traktionsumrichter hergeleitet, worauf ein auf die Eigenschaften der SiC-MOSFETs angepasster Kurzschlussschutz entworfen und evaluiert wird. Nachdem die Freilaufdioden im Traktionsumrichter, auf eine erfolgreiche Fehlerabschaltung folgend, Stoßstrombelastungen standhalten müssen, wird schließlich die Stoßstromrobustheit der internen Bodydiode untersucht und den bisher verwendeten Freilaufdioden gegenübergestellt.
Aktualisiert: 2020-12-26
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In dieser Arbeit werden vier verschiedene Abstraktionsebenen (Grundlagen, Hardwarearchitektur, Konstruktion und Simulation) im Rahmen des Entwicklungsprozesses eines Traktionsumrichters im Niederspannungsbereich betrachtet. Das Ziel der Arbeit ist ein in ein Maschinengehäuse integrierter Umrichter, welcher die Anforderungen der ISCAD (Intelligent Stator Cage Drive) Technologie erfüllt. Die elektrische Maschine ist bereits konstruiert worden. Ein besonderer Fokus liegt auf einem modularen Design aus identischen Halbbrückenelementen, um die maximale elektrische Ausgangsleistung durch Variation der Phasenanzahl zu verändern.
Nach der Vorstellung heute zur Verfügung stehender Technologien leistungselektronischer Komponenten und des ISCAD Konzepts werden die Hardwarearchitektur, die Methodik und die Leiterplattendesigns näher beleuchtet. Eine ausführliche Untersuchung zeigt hierzu den Einfluss von Integrationsstufen der Halbleiterelemente auf die Realisierbarkeit und die maximale elektrische Leistungsdichte.
Ausgehend von der gegebenen Hardwarearchitektur und der Leiterplattenentwürfe illustriert der zweite Abschnitt die Aufbau- und Verbindungstechnik des Umrichters, sowie dessen Kühlung. Der Abschnitt umfasst die Darstellung der mechanischen Anordnung der Subkomponenten, wobei eine detailliertere mechanische Betrachtung (thermischer Stress, Vibrationen, Schock etc.) nicht gegeben ist.
Die dritte Abstraktionsebene beleuchtet den Umrichter aus elektrischer und thermischer Sicht auf Basis mehrerer Simulationsmodelle. Hierzu zählen insbesondere die parasitären Effekte (aufgrund des dominanten Einflusses auf die elektrische Performance), das thermische Management, sowie die Alterung der Verbindungselemente.
Aktualisiert: 2020-01-17
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