Einfluss der Schaltdynamiken von Wide-Bandgap-Halbleitern auf induktive Lasten
Translated title
Influence of the switching dynamics of wide-bandgap semiconductors on inductive loads
Publication date
2025-07-16
Document type
Dissertation
Author
Bröcker, Felix
Advisor
Referee
Lindemann, Andreas
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2025-07-09
Organisational unit
Publisher
Universitätsbibliothek der HSU/UniBw H
Part of the university bibliography
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File(s)
Language
German
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Keyword
Flankensteilheit
Wide-Bandgap-Halbleiter
Leistungselektronik
Induktive Last
du/dt
Partielle Entladung
Schaltdynamik
Wicklungsbelastung
Siliziumkarbid
Galliumnitrid
Abstract
Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen steiler Schaltflanken auf induktive Lasten der Leistungselektronik basierend auf der Verwendung von Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern. Im Vergleich zu Silizium-basierten Halbleitern können Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Transistoren deutlich höhere Schaltdynamiken erzielen. Um das Potential dieser Halbleiter zu verdeutlichen, werden die Eigenschaften der Wide-Bandgap-Materialien beschrieben und anschließend das Verhalten von induktiven Lasten insbesondere in Hinblick auf ihre parasitären Eigenschaften analysiert. Die Arbeit geht der Frage nach, ob die Potentiale moderner SiC- & GaN-Halbleiter umfassend ausgeschöpft werden können oder die negativen Auswirkungen der parasitären Eigenschaften induktiver Bauteile dies verhindern. Um eine Antwort zu finden, werden Wicklungsaufbau und Wicklungsarten typischer induktiver Lasten theoretisch analysiert und anschließend messtechnisch untersucht. Für ein besseres Verständnis der elektrischen Potentialverteilungen innerhalb von Wicklungen werden verschiedene Wickelgüter mit unterschiedlichen Wicklungsformen und -arten in Abhängigkeit mehrerer Flankensteilheiten vermessen. Die Auswirkungen hoher Flankensteilheiten werden hinsichtlich ihrer Bedeutung zur Entstehung von partiellen Entladungen, den Rückwirkungen auf Mess-, Sensor- und Ansteuerungsschaltungen sowie den Einfluss auf die elektromagnetische Verträglichkeit untersucht. Um eine beschleunigte Alterung induktiver Lasten zu verhindern, erfolgt eine Vorstellung verschiedene Konzepte zur Reduktion der Flankensteilheit. Diese Konzepte werden hinsichtlich ihrer Filterwirkung, den entstehenden Verlusten in den schaltenden Halbleitern und den verwendeten du/dt-Filtern sowie der Gesamtsystemeffizienz miteinander verglichen. Zudem wird auf die Rückwirkungen der Filterschaltungen auf die Lasten und die Bedeutung der parasitären Filterelemente eingegangen.
Durch die Vermessung verschiedener induktiver Lasten mit unterschiedlichen Wicklungsarten wird das Zusammenwirken zwischen steilen Spannungsflanken und den parasitären Elementen der Wicklung verdeutlicht. So können klare Rückschlüsse auf die interne Potentialverteilung erarbeitet werden. Durch die geschickte Kombination von Filternetzwerken zwischen Umrichter und induktiver Last und der Anpassung des Wicklungsaufbaus ist es möglich, die aktuell gültigen DIN-Normen, um Faktor 5 bis 6 in der Flankensteilheit zu überschreiten und trotzdem die zusätzliche Belastung der Induktivitäten zu begrenzen und die Verluste im System nicht unnötig zu erhöhen. Durch die Erhöhung der Flankensteilheit im Umrichter ist ein effizienteres Schalten der Halbleiter möglich und ein Teil der notwendigen Verluste zur Reduktion der Flankensteilheit an der Last können in gut entwärmbare passive Bauelemente verschoben werden. Dies ermöglicht den Betrieb der Leistungshalbleiter bei geringeren Temperaturen und wirkt sich so positiv auf deren Lebensdauer aus.
Durch die Vermessung verschiedener induktiver Lasten mit unterschiedlichen Wicklungsarten wird das Zusammenwirken zwischen steilen Spannungsflanken und den parasitären Elementen der Wicklung verdeutlicht. So können klare Rückschlüsse auf die interne Potentialverteilung erarbeitet werden. Durch die geschickte Kombination von Filternetzwerken zwischen Umrichter und induktiver Last und der Anpassung des Wicklungsaufbaus ist es möglich, die aktuell gültigen DIN-Normen, um Faktor 5 bis 6 in der Flankensteilheit zu überschreiten und trotzdem die zusätzliche Belastung der Induktivitäten zu begrenzen und die Verluste im System nicht unnötig zu erhöhen. Durch die Erhöhung der Flankensteilheit im Umrichter ist ein effizienteres Schalten der Halbleiter möglich und ein Teil der notwendigen Verluste zur Reduktion der Flankensteilheit an der Last können in gut entwärmbare passive Bauelemente verschoben werden. Dies ermöglicht den Betrieb der Leistungshalbleiter bei geringeren Temperaturen und wirkt sich so positiv auf deren Lebensdauer aus.
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