Innovative Technologien für Energieeffiziente Antriebe

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1 Seminar Energieeinsparung und rationelle Energienutzung durch Leistungselektronik Innovative Technologien für Energieeffiziente Antriebe Prof. Dr.-Ing. Bernhard Piepenbreier Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen, Universität Erlangen 1

2 Gliederung Gliederung Einleitung Verlustarmer rückspeisefähiger Antriebsstromrichter ohne Zwischenkreiskondensator mit netzfrequentem Schalten auf der Netzseite (VRA) Matrixumrichter Silizium-Carbid (SiC) und SiC-Leistungshalbleiter SiC in der elektrischen Antriebstechnik Elektrische Antriebe in Hybridfahrzeugen und regenerative Energien Zusammenfassung / Ausblick 2

3 AFE - Pulsumrichter Netz + C ZK Motor L F C F L H netzseitiger Wechselrichter motorseitiger Wechselrichter geschirmtes Kabel Pulsumrichter mit netzseitigem Wechselrichter (AFE), pulsfrequent geschaltet Vorteil: rückspeisefähig mit nahezu sinusförmigem Netzstrom, einstellbarer Leistungsfaktor Wesentliche Verluste auf der Netzseite: - Schaltverluste der IGBTs, bei 4-5 khz Schaltfrequenz etwa gleich mit den Durchlassverlusten - Schalt- und Durchlassverluste der schnellen Freilaufdioden - Verluste in der Hochsetzstellerdrossel L H (ca. 6 %) und im Zwischenkreiskondensator 3

4 VRA Prinzip i Netz iac i ZK i Motor Netz Motor L F C F netzseitiger Wechselrichter motorseitiger Wechselrichter geschirmtes Kabel Verlustarmer rückspeisefähiger Antriebsstromrichter ohne Zwischenkreiskondensator mit netzfrequentem Schalten auf der Netzseite (VRA) i Netz iac i ZK i Motor t t t t Ströme des VRA 4

5 VRA Prinzip u DC i DC L1 L3 L1 i Netz 1 3 L3 L F C F Netz Filter Wechselrichter ZK u DC Netzfrequentes Schalten der IGBTs 6 5

6 VRA Prinzip motorischer Betrieb generatorischer Betrieb Netzstrom, Phasenspannung und Zwischenkreisspannung 6

7 VRA Prinzip Diodengleichrichter VRA Verlauf des Netzstroms bei unterschiedlichen Umrichtern 7

8 VRA Prinzip %-Netzdrossel 4%-Netzdrossel F3E VRAmit 0,75%- Netzdrossel 120o-Stromblock Ordnungszahlen des Netzstromes Spektrum des Netzstromes 8

9 VRA Prinzip Spektrum der Motorspannung Die niedrigen Werte der Harmonischen der Zwischenkreisspannung plus / minus der Motorfrequenz haben keinen messbaren Einfluss auf die Motorverluste. 9

10 Theoretisch erwartet man für den VRA eine um 3 /2geringere Ausgangsspannung gegenüber dem konventionellen Umrichter (mit ZK-Elko bei Spitzenwertgleichrichtung). u konv. Umrichter Umrichter mit netzfrequent geschaltetem Netzstromrichter 3 /2 VRA Prinzip Ausgleich durch Übermodulation f / f N Am Labornetz gemessene Steuerkennlinien für einen konventionellen Umrichter und einen Umrichter mit netzfrequent geschaltetem Netzstromrichter 10

11 VRA Verluste i F A u F V Durchlass-Kennlinien von Gleichrichterdioden und schnellen Freilaufdioden 11

12 VRA Verluste Verluste des VRA im Vergleich zum AFE-Umrichter: - etwa Halbierung der IGBT-Verluste wegen der Schaltfrequenz von nur 50 Hz - weniger als 2/3 der Diodenverluste (2/3 Durchlassverluste, keine Schaltverluste) - keine Hochsetzstellerdrossel >>> keine Verluste - kein Elko im Zwischenkreis >>> keine Verluste Verluste des VRA etwa wie Umrichter mit Diodengleichrichter (keine Rückspeisung) Weitere Vorteile des VRA: - kein Elko >>> keine Brauchbarkeitsdauereinschränkungen geringeres Gewicht und Volumen - weniger Kühlaufwand >>> geringeres Gewicht und Volumen 12

13 Matrixumrichter Matrixumrichter U NR Bidirektional leitend, wenn geschlossen Bei beiden Richtungen der Spannung sperren, wenn geöffnet U NS selbstgeführter Umrichter U NT Netz Filter R S T Schalter können theoretisch beliebig ein- und ausgeschaltet werden. z. B. mit 10 khz Motor Matrixumrichter mit Motor realer Schalter 13

14 Matrixumrichter Zusammenfassung Matrixumrichter: - Der Matrixumrichter ermöglicht - wie die AFE- und VRA-Umrichter - die Rückspeisung ins Netz. - Die Netzströme sind - wie der AFE-Umrichter - nahezu sinusförmig. - Die Motorspannungen sind theoretisch wie beim VRA-Umrichter nur etwa des konventionellen Umrichters IGBTs und 18 Dioden anstatt je 12 wie beim AFE- und VRA-Umrichter - Beschaltung erforderlich - Alle 18 IGBTs werden mit Pulsfrequenz geschaltet. >>>> ähnliche Verluste wie beim AFE-Umrichter >>>> höhere Verluste als beim VRA-Umrichter s.o. 3 /2 Einsatz in Serie? 14

15 Silizium-Carbid u. SiC-Leistungshalbleiter 5,0 3,2 2, ,5 1,1 0,25 Wärmeleitfähigkeit (W/cmK) Bandabstand (ev) kritische elektrische Feldstärke (MV/cm) Elektronenbeweglichkeit (cm²/vs) Sättigungsgeschwindigkeit (10 7 cm/s) Si SiC Wichtige Eigenschaften von Silizium (Si) und Silizium-Carbid (SiC) 15

16 Silizium-Carbid u. SiC-Leistungshalbleiter Die positiven Eigenschaften von SiC ermöglichen wesentlich höhere Stromdichten, höhere Arbeitstemperaturen, höhere Durchbruchspannungen, kleinere Schalt- und Durchlassverluste. Der Umsetzung der positiven Eigenschaften in wirtschaftliche Produkte und Anwendungen stehen wesentliche Nachteile entgegen: Der Herstellungsprozess von SiC-Kristallen ist sehr aufwendig. SiC-Bauelemente werden teurer bleiben als Si-Bauelemente. SiC-Wafer haben heute ca. 5 bis 10 Defekte pro cm² (micropipes). Eine akzeptable Ausbeute ist nur für kleine Chips möglich. Höhere Kosten für SiC als für Si SiC-Wafer sind mit 3 deutlich kleiner als Si-Wafer mit 6 bis 8. Höhere Kosten für SiC als für Si 16

17 Silizium-Carbid u. SiC-Leistungshalbleiter Was wurde erreicht: Dioden: SiC-Schottky-Dioden mit 1200 V und 20 A sind in Serie lieferbar. SiC-Schottky-Dioden mit 1700 V und 50 A wurden bei uns vermessen. Schalter: Si-MOSFET/SiC-JFET Kaskoden mit ca V und 5 A sind in Musterstückzahlen vorhanden. Der JFET ist allein betreibbar. Si-MOSFET/SiC-JFET Kaskode V/ 10 A Demonstrator mit 3 JFETS in Reihe wurde bei Fa. SiCED aufgebaut und vermessen. SiC-MOSFET V/ 2 A Demonstrator wurde bei Fa. SiCED aufgebaut und vermessen. 17

18 SiC in der elektrischen Antriebstechnik Reduzierung der Verluste im Pulswechselrichter durch Einsatz von SiC-Schottky-Dioden anstelle Si-Freilaufdioden SiC-Schottky-Dioden + C ZK Motor Netz L K Gleichrichter Wechselrichter geschirmtes Kabel Pulsumrichter mit netzseitigem Dioden- Gleichrichter 18

19 SiC in der elektrischen Antriebstechnik i T Lpar Si-Bipolar Diode Ausschalten Si-Freilaufdiode. 125 Spannung u D SiC-Schottky Diode Spannung u D T u T U ZK i D D L i L Last u D Strom i D Strom i D Testschaltung (Prinzip) t (s) t (s) Einschalten des IGBT / Ausschalten der Diode bei 700 V und 95 A Der Recovery-Strom ist fast so groß wie der Laststrom. Ein Recovery-Strom ist nicht vorhanden. 19

20 SiC in der elektrischen Antriebstechnik Gesamtverlustbilanz IGBT und Diode (Näherung): Verlustleistung P P = P + P + f (E + E EoffD) für Si-Freilaufdioden 1 = PDT + PDD + fs ( EonT Eoff T ) für SiC-Freilaufdioden 2 V Si DT DD S ont off T + V SiC + Die Schaltverluste des IGBTs reduzieren sich nur um etwa ein Viertel. Für die in der Antriebstechnik ausreichenden Schaltfrequenzen f s zwischen 1 khz und etwa 4 khz rechtfertigen die eingesparten Verluste im IGBT und in der Freilaufdiode heute nicht die bereits genannten hohen Kosten der SiC-Schottky-Diode. 20

21 SiC-Schottky-Dioden SiC in der elektrischen Antriebstechnik Netz + C ZK LC-Filter Motor L F C F L H netzseitiger motorseitiger Ungeschirmtes Wechselrichter Wechselrichter Kabel Kabel Pulsumrichter mit netzseitigem Wechselrichter (AFE), pulsfrequent geschaltet; SiC-Dioden im netz- und motorseitigen Wechselrichter Wegen der geringeren Schaltverluste könnte die Pulsfrequenz von heute 1-4 khz auf etwa 20 bis 30 khz besonders in Verbindung mit FAST-IGBTs - erhöht werden. Damit ergäben sich eine deutlich kleinere Hochsetzstellerdrossel und kleinere Filterkomponenten. Um sowohl die netzseitigen als auch die motorseitigen Filtergrößen und -kosten zu reduzieren, müssen auf beiden Seiten SiC-Schottky-Dioden eingesetzt werden. teuer 21

22 SiC in der elektrischen Antriebstechnik SiC-Schottky-Dioden Netz LC-Filter Motor L F C F netzseitiger Wechselrichter motorseitiger Wechselrichter VRA mit motorseitigem Filter, ungeschirmtem Motorkabel und SiC-Schottky-Dioden im Wechselrichter ungeschirmtes Kabel Wegen der geringeren Schaltverluste könnte die Pulsfrequenz des Wechselrichters von 1-4 khz auf etwa 20 bis 30 khz besonders in Verbindung mit FAST-IGBTs erhöht werden. Damit ergäben sich deutlich kleinere und kostengünstigere netz- und motorseitige Filter. Wesentlicher Vorteil gegenüber dem AFE-Umrichter: Einsatz von nur sechs SiC-Dioden anstatt zwölf. wesentlich kostengünstiger 22

23 SiC in der elektrischen Antriebstechnik Einsatz von SiC-JFETs im VRA Motorfilter Netzfilter ASM- Motor Kabel ungeschirmt Netz IGBT- Wechselrichter ZK SiC-JFET- Wechselrichter VRA mit SiC-JFETs Ziel: Schaltfrequenz der JFETs 100 bis 150 khz 23

24 SiC in der elektrischen Antriebstechnik 200 U ZK = 600 V, f S = 100 khz, Einschaltdauer» 100 % P V W Schaltverluste Durchlassverluste C 25 C A 15 Gesamtverluste in einem SiC-JFET P V = P d + f S E Ein Umrichter mit einer Schaltfrequenz von 100 khz und etwa W ist realisierbar. I d 24

25 Hybridfahrzeuge Antreiben Bremsen Antreiben 3AC DC>250 V Getriebe Verbrennungsmotor Elektromotor Generator Umrichter Motor Umrichter Generator Batterie z.b. Ni-MH Generatorbetrieb DC DC Prinzip des Antriebssystems des Toyota Prius 12 V- Batterie 12 V-Bordnetz 25

26 Regenerative Energien Für die Einspeisung regenerativer Energien in die elektrischen Versorgungsnetze ist vielfach eine Umsetzung über Leistungselektronik erforderlich, z. B. Photovoltaik, Wind. Windkraft erfordert zunächst noch eine Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Netz Wind n 1var M 1var Getriebe n 2var M 2var Generator U var f var Umrichter U 1kon f netz Transformator U Netz f netz optional optional Blockschaltbild für eine Windkraftanlage 26

27 Zusammenfassung Zusammenfassung / Ausblick Der VRA bietet gegenüber dem heute üblichen AFE Vorteile bezüglich Verlusten, Gewicht, Volumen und Kosten. Die Topologie des VRA hat gegenüber dem AFE ebenfalls Vorteile, wenn die Optimierung (Drosseln, Filter, Kabel) des Antriebssystems durch den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern im Vordergrund steht. Hybridfahrzeuge und regenerative Energien werden wesentlich zur Einsparung von Primärenergie und zur Steigerung des Umsatzes von Leistungselektronik beitragen. Erwartet wird, dass im Jahr % der erzeugten elektrischen Energie auf dem Weg von der Quelle zur Applikation mit Leistungselektronik und 60 % durch elektrische Antriebe umgewandelt werden. 27