Projekt: Servoantrieb mit SiC-Transistoren 2,2 kW
Die modernen Technologien der Leistungselektronik stehen nicht still. Immer häufiger suchen Ingenieure nach Möglichkeiten, die Effizienz zu steigern, die Verluste zu reduzieren und die Motorsteuerungssysteme kompakter und zuverlässiger zu gestalten.
Derzeit gewinnen SiC-Transistoren (Silicon Carbide – Siliziumkarbid) zunehmend an Popularität. Kurz gesagt, sie vereinen die Vorteile von IGBT- und MOSFET-Transistoren.
Solche Transistoren zeichnen sich durch einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand wie MOSFETs aus und können gleichzeitig in Hochspannungsanwendungen wie IGBTs eingesetzt werden.
Theorie ist Theorie – daher haben wir beschlossen, praktische Tests an einem realen Gerät durchzuführen.
Zu diesem Zweck haben wir einen Servoantrieb mit einer Leistung von 2,2 kW entwickelt.
Besonderheiten beim Design und Schutz von SiC-Transistoren
Da diese Transistoren einen sehr geringen Durchlasswiderstand haben, verliert der DESAT-Schutz (Überstromschutz basierend auf der Spannungsänderung zwischen Kollektor und Emitter bzw. Drain und Source) teilweise seine Wirksamkeit.
Daher ist für SiC-Transistoren ein Schutz auf Basis von Strommess-Shunts oder Stromsensoren besser geeignet – insbesondere bei leistungsstärkeren Systemen.
Zudem sollte bei den meisten dieser Bauelemente die negative Gate-Vorspannung 5 V nicht überschreiten, was bei der Schaltungsentwicklung unbedingt zu beachten ist.
Erhöhung der Schaltfrequenz und Anforderungen an das Leiterplattendesign
Da SiC-Transistoren einen geringen Drain-Source-Widerstand und eine niedrigere Gate-Kapazität besitzen, verringern sich die dynamischen Verluste.
Dies ermöglicht eine höhere Schaltfrequenz, was wiederum eine besondere Aufmerksamkeit für das Leiterplattendesign erfordert.
Die Gate-Leiterbahnen müssen ausreichend breit sein und möglichst nahe an den Drain-Leiterbahnen verlaufen.
Am besten eignet sich hierfür eine vierlagige Leiterplatte, was wir in unserem Design auch umgesetzt haben.
SKIN-Effekt und Reflected-Wave-Effekt bei hohen Frequenzen
Die Erhöhung der Schaltfrequenz ermöglichte es, die Regelgeschwindigkeit der Strom- und Positionsregelkreise in unserem Servoantrieb zu steigern – mit sehr guten Ergebnissen.
Allerdings darf man nicht vergessen, dass dabei der sogenannte SKIN-Effekt auftritt – ein Phänomen, bei dem der Wechselstrom dazu neigt, nur an der Oberfläche des Leiters zu fließen, anstatt gleichmäßig über den gesamten Querschnitt.
Ebenso tritt der Reflected-Wave-Effekt (Effekt der reflektierten Welle) auf – hierbei steigt die Spannung an den Motorwicklungen über den Nennwert.
Wenn die Kabellänge zwischen Inverter und Motor mit der Wellenlänge des Schaltsignals vergleichbar wird, reflektiert sich der Spannungspuls am Leitungsende.
Diese reflektierte Spannung addiert sich mit der ursprünglichen und kann zu einer Spannungserhöhung an den Motorwicklungen um das 1,5- bis 2-Fache führen.
Das ist besonders kritisch bei Hochfrequenz-Schaltungen in SiC- oder GaN-Invertern, bei denen die Pulsflanken sehr steil sind (hohes dU/dt).
Fazit der Tests
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass moderne SiC-Transistoren stabil arbeiten, einen hohen Wirkungsgrad bieten und geringere Schaltverluste aufweisen.
Dadurch können kleinere Kühlkörper verwendet und höhere Schaltfrequenzen erreicht werden, was letztlich die Produktionskosten des gesamten Geräts senkt.
Ausblick und weitere Entwicklung
Der von uns entwickelte Servoantrieb wurde zu einem praktischen Beweis für die Vorteile moderner Halbleitertechnologien und zeigte das hohe Potenzial der SiC-Technologie für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen.
In Zukunft planen wir, Experimente mit verschiedenen Typen von Leistungstransistoren und Treiberarchitekturen fortzusetzen, um eine noch höhere Effizienz und Regelgenauigkeit zu erreichen.
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