Einsatz von Siliziumkarbid-Bipolartransistoren in Antriebsstromrichtern zur Verlustreduktion

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Stand der Technik sind IGBTs und Freilaufdioden aus Silizium (Si), deren Technologie über Jahrzehnte nahezu perfektioniert wurde. Die Fortschritte bei der Reduzierung von Schalt- und Durchlassverlusten von Si-IGBTs sind jedoch minimal geworden. Im Gegensatz dazu können Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) die Verlustleistung signifikant senken. Diese Arbeit untersucht, inwieweit der Wirkungsgrad eines Antriebsstromrichters durch diskrete SiC-Bipolartransistoren im TO-247- und SiC-Schottky-Dioden im TO-220-Gehäuse gesteigert werden kann. Zu Beginn wird die Siliziumkarbid-Halbleitertechnologie vorgestellt, um deren Vorteile für verlustärmere Leistungselektronik zu verdeutlichen. Der SiC-Bipolartransistor wird im Vergleich zum klassischen Silizium-Bipolartransistor analysiert. Da im laststromführenden Zustand ein Steuerstrom in die Basis des SiC-Bipolartransistors eingeprägt werden muss, wird der Treiberaufwand erhöht. Der erste Themenschwerpunkt liegt daher auf der Entwicklung und Evaluierung eines einfachen und eines komplexen Treibers. Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Treiberverlustleistung im Wechselrichter wird vorgestellt. Zudem wird das Schaltverhalten des SiC-Bipolartransistors charakterisiert, einschließlich der Ermittlung von Ein- und Ausschaltwärmen. Abschließend werden experimentelle Untersuchungen an einem SiC-Wechselrichter durchgeführt, und die Potenziale sowie Grenzen des Einsat