Charakterisierung des Schaltverhaltens von Siliziumkarbid MOSFET-Modulen Einfluss einer antiparallelen SiC-SchottkyDiode auf das Schaltverhalten: • • • Temperaturabhängigkeit Verluste Überspannung 1 Charakterisierung des Schaltverhaltens von Siliziumkarbid MOSFET-Modulen Optimierung der Verriegelungszeit zwischen High-Side und Low-Side-Switch: ID, body-diode UDS, body-diode ID, t = 150 ns D 200 1200 150 1000 100 800 50 600 0 400 -50 200 U [V] Geringere Schaltverluste Erhebliche Reduzierung der Abschaltüberspannung am rückwärtsleitenden MOSFET I [A] • • U , t = 150 ns DS D 0 -100 -150 -50 0 50 -200 100 t [ns] 2 Bordnetzversorgung für Bahnfahrzeuge Gewichtsoptimierte Lösungen Anwendung: • Energieversorgung für Traktionsfremde Subsysteme z.B.: Klimaanlagen etc. • DC/DC Wandler + Pulswechselrichter (PWR) Erzeugung ein 3-phasiges, 50Hz Bordnetz Anforderungen an den DC/DC Wandler: • galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite • Umgang mit 30% schwankende Eingangsspannung des Bahnnetzes • variable Leistungssteuerung bei fester Ausgangsspannung U-Bahn: DT3 / DT3-F Fremdeinspeisung DC 670 V 200 kW zu den restlichen Wagen 29.04.2015 PWR 3 3AC 440V 60Hz 200...220 kVA Sinus-/EMVFilter Magnetbauteile DC 1,5kV DC 3,0kV Umschalteinrichtung DC DC Ziel: Einsatz von SiC Bauelementen Erhöhung der Taktfrequenz des DC/DC Wandler führt zu: • kleiner Bauform passiver Bauelemente • Gewichtsersparnis des DC/DC Wandlers • Systemvorteil durch Massevorteil TramTrain: Avanto DC DC zum Endwagen 3 AC-Sicherungen zum Endwagen DC DC PWR DC-DC Wandler Pulswechselrichter Struktur eines Hilfsbetriebe Umrichter in einem Triebzug: 3 Bordnetzversorgung für Bahnfahrzeuge Gewichtsoptimierte Lösungen Simulation und Berechnung verschiedener DC/DC Wandler Topologien • Hart geschaltet • Resonant geschaltet (LLC Converter) Vergleich von Schaltungstopologien in Bezug auf: • Masse • Kosten • Steuerungsaufwand • Halbleiternennstrom DC-DC Wandler Gewicht in Abhängig von Schaltfrequenz, Topologie und Halbleitertyp iL2 Auslegung passiver Bauelemente: • Transformator • Induktivität • Zwischenkreis S1 D1 S3 iprim Ls L2 D3 isek Udc,1 Udc,2 ue S2 S4 D2 D4 iL2 Dsp S1 D1 S3 iprim Lsp Cres Ls D3 isek Udc,2 Uc1 = 1000V Udc,1 ue Ssp S2 S4 D2 D4 Schaltungstopologien galvanisch getrennter DC/DC Wandler 29.04.2015 4 Bordnetzversorgung für Bahnfahrzeuge Gewichtsoptimierte Lösungen Turn-OFF: Udc = 1000V, Idc = IN, Tj = 125°C Qualifikation von Leistungshalbleiter & Treibern für schnell schaltende Halbleiter 1400 1200 1000 • Silizium IGBT • SiC MOSFETs • SiC JFETs Div 800 U2 MOSFET [1V/Div] @R g,ext = 0 Ω 600 U 2 JFET [1V/Div] @Rg,ext = 0 Ω I2 MOSFET [1A/Div] 400 200 I2 JFET [1A/Div] 300 400 0 -200 0 100 200 500 600 t / ns Schaltverhalten: SiC MOSFET vs. SiC JFET loss distribution under hard switching @Tj = 125°C 350 Etotal sw [1mJ/Div] Eon 300 250 [1mJ/Div] Eoff [1mJ/Div] Ediode [1mJ/Div] 200 150 100 50 0 a) b) c) Verlustvergleich: a) Si IGBT vs. SiC MOSFET b) & c) 29.04.2015 Messtechnik: Oszilloskop zu Messung an High- und Low-Side-Switch 12 Bit; 2 GHz; 2,5 GS/s - UST: Tastkopf Lecroy 10:1 - di1/2/dt: selbstgewickelte Rogwoskispule, 3 Windungen, Bandbreite = 84MHz Tastkopf PMK 100:1 - UDS: - UGS: Tastkopf Lecroy 10:1 5