SiC-Leistungshalbleiter in der elektrischen Antriebstechnik

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1 SiC-Leistungshalbleiter in der elektrischen Antriebstechnik Cluster-Offensive Bayern Auftaktveranstaltung Cluster Leistungselektronik SiC-Leistungshalbleiter in der elektrischen Antriebstechnik Prof. Dr.-Ing. Bernhard Piepenbreier Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

2 Gliederung Gliederung Einleitung Silizium, Silizium-Carbid (SiC) und SiC-Leistungshalbleiter SiC-Schottky-Dioden in der elektrischen Antriebstechnik SiC-JFETs in der elektrischen Antriebstechnik Zusammenfassung / Ausblick Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

3 Netzdiode IGBT Einleitung schnelle Freilaufdiode I R Netz + _ C ZK U RS Motor L K Gleichrichter Wechselrichter Elektrischer Antrieb mit Pulsumrichter geschirmtes Kabel IGBT Diode IGBT-Modul Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

4 Einleitung U RS 300 V Strom Ein 400 A T S t 0 A Spannung 2 V I R t 400 A Aus 300 V Verkettete Motorspannung U RS und Motorstrom I R (prinzipielle Verläufe) 2 V 0 A Schaltfrequenz f S = 1/ T S T S = Schaltperiodendauer Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen 100ns/div Schalten der IGBTs Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

5 Einleitung Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT verfügbare Bauelemente z.b. 600 V / 10 A, 1200 V / 3600 A, 6500 V / 600 A spannungsgesteuert + 15 V / -5 V keine Beschaltung erforderlich kurzschlussfest Einsatz bis ca. 150 C Wünsche: weniger Aufwand für Kühlung höhere Temperaturen höherer Bandabstand weniger Verluste dünnere Chips höhere kritische Feldstärke Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

6 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) Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

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

8 Silizium-Carbid u. SiC-Leistungshalbleiter Was wurde erreicht (Beispiele): 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. Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

9 Silizium-Carbid u. SiC-Leistungshalbleiter i T Lpar Si-Bipolar Diode 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. t(10-5 s) t(10-5 s) Ein Recovery-Strom ist nicht vorhanden. Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

10 SiC-Schottky-Dioden in der elektrischen Antriebstechnik 1. Reduzierung der Verluste bzw. kleinere Leistungshalbleiter-Chips im Pulswechselrichter durch Einsatz von SiC-Schottky-Dioden anstelle Si-Freilaufdioden SiC-Schottky-Dioden + C ZK Motor Netz L K geschirmtes Gleichrichter Wechselrichter Kabel Pulsumrichter mit netzseitigem Dioden- Gleichrichter 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 bzw. die eingesparte Chipfläche nicht die bereits genannten hohen Kosten der SiC-Schottky-Diode Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

11 SiC-Schottky-Dioden in der elektrischen Antriebstechnik 2. Einsatz von SiC-Schottky-Dioden anstelle der Si-Freilaufdioden im netz- und motorseitigen Wechselrichter (AFE-Umrichter) + _ LC-Filter Motor L F C F L H netzseitiger motorseitiger geschirmtes Wechselrichter Wechselrichter 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, wirtschaftlich? Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

12 SiC-Schottky-Dioden in der elektrischen Antriebstechnik 3. Einsatz von SiC-Schottky-Dioden anstelle der Si-Freilaufdioden im Wechselrichter des Verlustarmen rückspeisefähigen Antriebsstromrichters ohne Zwischenkreiskondensator mit netzfrequentem Schalten auf der Netzseite (VRA) 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 Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

13 SiC-Schottky-Dioden 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 Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

14 SiC-JFETs in der elektrischen Antriebstechnik 4. Einsatz von SiC-JFETs im VRA Forschungsprojekt gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG I aus U aus 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 Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

15 SiC-JFETs 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 Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

16 SiC-JFETs in der elektrischen Antriebstechnik Laboraufbau für 5 kw Umrichter mit SiC-JFETs 400 V - Netz Last Ansteuerschaltungen SiC-JFET-Module Kühlkörper Pulsweitenmodulator Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

17 SiC-JFETs in der elektrischen Antriebstechnik Messergebnisse bei 400 V Netzspannung Ausgangsspannung verkettet 40 Hz 5ms/div, 200 V/div Ausgangsstrom 40 Hz 5 ms/div, 2 A/div Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

18 SiC-JFETs in der elektrischen Antriebstechnik 250 khz 0 20 ns 0 Ausgangsspannung und -strom 500 ns/div, 100 V/div, 1 A/div Ausgangsspannung und -strom 10 ns/div, 100 V/div, 1 A/div Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

19 Zusammenfassung / Ausblick Zusammenfassung Der Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern zur Optimierung des Umrichters allein bietet sich zunächst nicht an. SiC-Leistungshalbleiter werden sicher eher für die Optimierung des Antriebssystems eingesetzt, indem die erforderlichen passiven Komponenten wie Drosseln und Filter bezüglich Volumen und Kosten durch hohe Schaltfrequenzen reduziert werden. Mit den bereits heute verfügbaren SiC-JFETs sind Umrichter mit nahezu sinusförmigen Motorströmen bis zu einer Leistung von etwa W realisierbar. Die hohen Kosten und die durch die Materialfehler begrenzten Chipflächen (Ströme) schränken den Einsatz noch ein. Silizium-Carbid wird Silizium in der elektrischen Antriebstechnik nicht generell ablösen. Vielleicht ist der VRA mit SiC-Leistungsschaltern ein erstes Gerät was in Serie gehen kann. Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen Prof. Dr.-Ing. B. Piepenbreier

20 Neue PFC- Topologien für Schaltnetzteile Prof. Dr.-Ing. Manfred Reddig Fachhochschule Augsburg Leistungselektronik und Mechatronik Die Arbeit erfolgte in Kooperation mit bzw. wurde unterstützt von: -ECPE - Fachhochschule Augsburg, Labor für Hochfrequenz-, Mikrowellentechnik und EMV - Infineon technologies AG - NMB- Minebea, European Electronic Engineering Centre, Augsburg Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

21 Inhalt Einleitung Standard- Leistungsfaktor- Korrekturschaltung (engl. Power Factor Correction) Verbesserte Leistungsfaktor- Korrekturschaltung Leitungsgebundene Störungen bei der neuen Topologie, Lösungsmöglichkeiten Zusammenfassung Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

22 Bild 1: Struktur eines Schaltnetzteils mittlerer Leistung Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006 u i t

23 Bild 2: Struktur einer Standard- Leistungsfaktor- Korrekturschaltung Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

24 Bild 3: Topologie der neuen Schaltung Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

25 Bild 4: Verhalten bei pos. (links) und neg. (rechts) Eingangsspannung Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

26 Bild 5: Verläufe von Netzstrom, -Spannung und Laststrom im stat. Zustand bei einer Abgabeleistung von etwa 2,1 kw Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

27 Bild 6: Prinzipschaltplan mit Standard- EMV- Filter Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006 C X1 : 220 nf C X2 : 1 μf C X3 : 220 nf L Com : 2 x 2 mh L Diff1 : 10 μh L Diff2 : 10 μh

28 dbµv EN55022B PFC M02 RBW 9 khz MT 10 ms Att 10 db PREAMP OFF MHz 10 MHz OVLD 1 PK CLRWR SGL EN55022B PRN khz 30 MHz Date: 10.FEB :47:33 Bild 7: Erster Versuchsaufbau (links) und Verlauf der leitungsgebundenen Störemission (rechts) Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

29 Bild 8: Verbesserter Versuchsaufbau (links) und Verlauf der leitungsgebundenen Störemission (rechts) Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

30 Bild 9: Grundschaltung mit parasitärer Kapazität Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

31 ild 10: Möglichkeit zur Eliminierung des Einflusses der arasitären Kapazität mittels zusätzlichem Filter luster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006 C f1 : 220 nf C f1t : 220 nf C f1 : 1 nf L: 2 x 2mH (2 x 16 Windungen auf PM 50 Kern)

32 Bild 11: Verlauf der leitungsgebundenen Störemission bei Verwendung des zusätzlichen Filters Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006 dbµv 1 PK CLRWR EN55022B PFC M Att 10 db RBW 9 khz MT 10 ms PREAMP OFF Marker 2 [T1 ] dbµv MHz 1 MHz Marker 10 1 MHz [T1 ] dbµv MHz SGL EN55022B 1 2 PRN khz 30 MHz Date: 15.JUN :52:39

33 Bild 12: Eckwerte und Fotografie der Versuchsschaltung Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006 Eckwerte der Schaltung: Eingangsspannung: 180 V bis 260 V Ausgangsspannung: 391 V Ausgangsleistung: 2 kw Schaltfrequenz: 100 khz Leistungsfaktor: >0.99 Steuer-IC: ICE1PCS01 Schalttransistor: SPW47N60C3 PFC- Dioden: 3 x 15ETH06 Betrieb ohne zusätzlichen Lüfter bis 2kW erprobt

34 Bild 13: Verlauf der leitungsgebundenen Störemission bei Verwendung eines verbesserten EMV- Filters Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

35 Zusammenfassung Prinzipielles Verhalten einer Standard- Leistungsfaktor- Korrekturschaltung wurde erklärt. Das grundsätzliche Verhalten der verbesserten Topologie und Messkurven zum Funktionsnachweis wurden gezeigt. Die leitungsgebundene Störemission wurde anhand von Messungen dargestellt. Der Verursacher der erhöhten Störemission wurde benannt. Eine Lösungsmöglichkeit zur Verringerung der Störemission wurde erarbeitet und die Messergebnisse gezeigt. Ausblick Messungen des Gesamtwirkungsgrades erst jetzt sinnvoll Verwendung von SiC- Dioden Cluster- Offensive Bayern, 12. Oktober 2006

36 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Systemintegration in der Leistungselektronik am Beispiel des Hybridantriebs Dr. Martin März Abteilung Leistungselektronische Systeme Schottkystr Erlangen Tel / , Fax -312 Zentrum für Kfz-Leistungselektronik und Mechatronik ZKLM Landgrabenstraße 94, Nürnberg Tel. 0911/ , Fax Dr. Martin März 1

37 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Leistungselektronik gehört zu den wachstumsstärksten Anwendungen im Auto! Dr. Martin März 2

38 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Schlüsselkomponenten für die Autos von morgen Brennstoffzelle DC DC DC xc Hochlast-Verbraucher x-by-wire aktives Fahrwerk elektromagn. Ventile Klimatisierung Anbauaggregate (NFZ) Mobiles Kraftwerk Hybridantrieb AC DC DC DC 14V- Bordnetz AC DC DC DC Elektrischer Antriebsenergiespeicher UltraCaps NiMH, Li-Ion,... Dr. Martin März 3

39 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Leistungselektronik heute Separate Einheiten Hohe Kosten Gehäuse geschirmte Kabel u. Stecker erhöhter EMV-Filteraufwand Zusatzgewicht Großer Platzbedarf Große Hürden für einen Einsatz in bestehenden Fahrzeugplattformen! Dr. Martin März 4

40 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Kostenreduzierung durch Systemintegration bei Hybridantrieben Separat Kosten Angebaut Systemintegriert Geringe Vibrationen Reduzierte Kühlmitteltemperatur (60-70 C) Hohe Vibrationen Reduzierte Kühlmitteltemperatur (60-70 C) Hohe Vibrationen Gemeinsamer Kühlkreislauf ( C) Technologie-Reifegrad, Produktionsvolumen Dr. Martin März 5

41 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Herausforderung Systemintegration HV-DC EMV Filter CAN-Interface µc-steuerung Schutz- und Diagnose Gate-Treiber M Eine mechatronische Systemintegration erfordert das Verlassen ausgetretener Pfade bei Bauelementen, Aufbautechniken und Montageverfahren! Dr. Martin März 6

42 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Herausforderung Systemintegration Mechatronik Engste Wechselwirkung zwischen Mechanischer Konstruktion Materialauswahl Zuverlässigkeit Entwärmung EMV Fertigbarkeit Testbarkeit Kosten Klare Schnittstellen zwischen der Elektronik und Mechanik verschwinden! Benötigt werden Neue Techniken zur funktionalen und räumlichen Integration Modulare Systeme Formflexible passive Bauelemente Hohe Leistungsdichten und Wirkungsgrade Effektive Entwärmungstechniken Lastwechselstabile Aufbau- und Verbindungstechnologien Dr. Martin März 7

43 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Leuchtturmprojekt» Systemintegrierte E-Antriebseinheit für Hybrid-PKW «Voll-Integration eines E-Motors mit Umrichter in die Kupplungsglocke eines PKW-Getriebes Im Fahrzeug bauraumneutral DC-Spannung: V Phasenströme: bis 320A rms PM-Synchron-Maschine Leistungsdichte des Umrichters: 75kW/dm 3 50kW / 220Nm Dr. Martin März 8

44 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Leuchtturmprojekt Systemintegrierte E-Antriebseinheit Zwischenkreiskondensator Leistungsmodul Neuartige passive Bauelemente Optimale Ausnutzung des verfügbaren Bauraums (räumliche Integration) hier: Kondensator bildet Zwischenkreisverschienung (funktionale Integration) Kühlmantel Motorwicklung Dr. Martin März 9

45 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Herausforderung Systemintegration Weichmagnetisch gefüllte Kunststoffe für spritzgießbare induktive Bauelemente MnZn-Ferritpulver Carbonyleisenpulver Anwendungsbereiche EMV-Filter Wandler-Drosseln HF-Transformatoren Vorteile hohe Formgebungsfreiheit funktionale Integration kostengünstige Herstellung Dr. Martin März 10

46 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Systemintegration von Leistungselektronik Potentiale Erhöhung von Mobilität und Komfort Neue innovative Produktideen in allen Anwendungsfeldern werden realisierbar Fahrzeugtechnik Consumerelektronik Automatisierungstechnik Robotik, Service-Robotik Kostenreduzierung Erhöhung der Zuverlässigkeit (u.a. Reduzierung der Anzahl an fehleranfälligen Schnittstellen z.b. Stecker) Dr. Martin März 11

47 Cluster Leistungselektronik Auftaktveranstaltung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Martin März 12