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Höhere Effizienz, Dichte und Zuverlässigkeit

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Matrix-Umrichter mit höchster Leistungsdichte

Die Kombination von JFETs auf Basis von Siliciumcarbid (SiC) mit neuester Treibertechnologie und innovativem thermischen Management in einem Matrix-Umrichter eröffnet eine neue Dimension an Leistungsdichte in der Umrichtertechnik.

Höhere Leistungsdichte geht unweigerlich mit lokalen Temperaturerhöhungen, speziell im Leistungshalbleiter und seiner direkten Umgebung, einher. Für solche Anforderungen eignen sich insbesondere SiC-Leistungshalbleiter, denn diese lassen sich bei höherer Sperrschichttemperatur betreiben als normale Siliziumbausteine. Allerdings muss auch die Umgebung der Leistungsschalter gegenüber dieser höheren Temperatur unempfindlich sein.

Bildergalerie

Da unter anderem die DC-Kondensatoren in Umrichtern hier eine Begrenzung darstellen, wurde die Topologie des Matrix-Umrichters gewählt. Dieser Direktumrichter besteht aus einer Matrix von bidirektionalen Schaltern, die mit neuen SiC-JFETs von Infineon aufgebaut wurden. Für die erforderliche Treiberbaugruppe kam der Zweikanal-Treiber 2ED020I12FA aus der EiceDRIVER-Familie zur Anwendung.

Um den größtmöglichen Gewinn an Leistungsdichte für dieses Projekt zu erzielen, war forcierte Luftkühlung unumgänglich. Außerdem wurde ein spezieller, Platz sparender Kupferkühlkörper entworfen und hergestellt.

Meist sind es nicht die Leistungshalbleiter, die das Volumen des Umrichters bestimmen, sondern vielmehr die Bauelemente in Zwischenkreisanordnungen sowie die Kühlkörper. Um die Regularien der Netzbetreiber erfüllen zu können und die Auflagen bezüglich EMV einzuhalten, sind meist großvolumige LC-Eingangsfilter vorzufinden. Um diese zu minimieren, muss man die Schaltfrequenz erhöhen.

Der Demonstrator (Bild 4 in der Bilder-Galerie) arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz, sodass sich die Bauelemente der Eingangsfilter auf LC-Glieder mit 1 µF und 25 µH reduzieren. Die Kondensatoren sind als Hochtemperatur-Keramikkondensatoren in SMD-Bauweise ausgeführt. Der Matrix-Umrichter generiert sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig sinusförmige Stromverläufe und gestattet die Einstellung des Leistungsfaktors, was eine zusätzliche PFC-Stufe überflüssig macht. Ziel dieses Projektes war es, für den gesamten Inverter inklusive Kühlsystem eine volumetrische Leistungsdichte von 20 kVA/dm3 zu erreichen. Mit 20 kVA und einem Volumen von weniger als 900 cm3 wurde dieses Ziel nicht nur erreicht, sondern sogar übertroffen.

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