A hybrid semiconductor device for medium-voltage DC-DC converters : the combination of thyristor and transistor technologies

• Ein hybrides Halbleiterbauelement für Mittelspannungs-DC/DC-Wandler : Die Kombination von Thyristor- und Transistortechnologien

Teichrib, Jakob; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Huang, Alex Q. (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center : PGS, Power Generation and Storage Systems 111
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Heutige leistungselektronische Wandler hängen in hohem Maße von den verwendeten Leistungshalbleiterbauelementen ab. Geringere Verluste in diesen Bauteilen würden in erster Linie eine Erhöhung der übertragenen Leistung ermöglichen, was wiederum die Rentabilität und Leistung der Umrichter erhöht. Außerdem könnte bei geringeren Schaltverlusten die Schaltfrequenz erhöht werden, was zu einer Verkleinerung der passiven Komponenten und einer Verringerung des erforderlichen Filteraufwands führt. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Kombination von Bauelementen, die auf Thyristor- und Transistortechnologien basieren, für den Einsatz in Mittelspannungs-Gleichspannungswandlern zu untersuchen. Genauer gesagt wird ein hybrides Konzept verfolgt, das aus einem Thyristor mit integrierter Emitterabschaltung (IETO) und einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) besteht. Ersterer weist geringe Leitungsverluste auf, während letzterer das Ziel verfolgt, bei Steuerung mit einer geeigneten Schaltfolge, geringere Schaltverluste zu ermöglichen. Zunächst werden das Konzept und alle damit verbundenen Aspekte in Bezug auf Struktur und Steuerung beleuchtet. Dies beinhaltet eine Beschreibung des Gehäuses, der Ansteuerungseinheit, der Halbleiter sowie Empfehlungen für deren Auswahl und Design. Das Hybridkonzept wird anhand eines Prototyps demonstriert, bei dem alle Halbleiter in einem Gehäuse integriert sind. Der Entwurfs- und Herstellungsprozess des Prototyps und der Steuerplatinen wird im Detail vorgestellt. Um das Konzept zu bewerten, wird der Prototyp elektrisch und mechanisch untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine entsprechende Testumgebung geschaffen, die in Bezug auf Methodik und Aufbau beschrieben wird. Es wird gezeigt, dass ein geeignet gewählter IETO die Leitungsverluste reduziert, während ein IGBT die Abschaltverluste reduzieren kann. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die interne parasitäre Induktivität einen weniger starken Einfluss ausübt als ursprünglich angenommen. Dies deutet darauf hin, dass für das mit diesem Konzept verfolgte Ziel geringerer Verluste nicht unbedingt hochintegrierte Ansätze erforderlich sind. Aufgrund der knappen Verfügbarkeit geeigneter Bauelemente wird zusätzlich eine Bauelementesimulation mit für das Konzept optimierten Bauelementeparametern durchgeführt. Die Daten von Prototypmessungen und Bauteilsimulationen werden in einer Simulation eines Mittelspannungs-Gleichspannungswandlers verwendet. Während mit dem Prototyp eine Verbesserung des Systemwirkungsgrades nicht erreicht werden konnte, zeigen die simulierten Bauelemente eine deutliche Verbesserung der Gesamtverluste.

Einrichtungen

• Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614500]
• Lehrstuhl für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614510]