SST-Spannungsprobleme: Topologien & SiC-Technologie

Eine der Kernherausforderungen bei Festkörpertransformern (SST) ist, dass die Spannungsbelastbarkeit eines einzelnen Leistungshalbleiterbauteils weit davon entfernt ist, mittelspannungsfähige Verteilernetze (z.B. 10 kV) direkt zu bewältigen. Die Bewältigung dieser Spannungsbeschränkung beruht nicht auf einer einzigen Technologie, sondern vielmehr auf einem „Kombinationsansatz“. Die Hauptstrategien können in zwei Kategorien unterteilt werden: „intern“ (durch technologische und materialwissenschaftliche Innovationen auf Bauteilebene) und „externe Zusammenarbeit“ (durch Schaltkreistopologien).

1. Externe Zusammenarbeit: Lösung durch Schaltkreistopologien (Derzeit am häufigsten und reifste Herangehensweise)
Dies ist derzeit der verlässlichste und am weitesten verbreitete Ansatz in Anwendungen mit mittlerer und hoher Spannung sowie hohen Leistungen. Der Kerngedanke ist „Stärke in der Einheit“ – die Nutzung von Serienschaltungen oder modularen Kombinationen mehrerer Bauteile, um die hohe Spannung zu teilen.

1.1 Serienschaltung von Bauteilen

 Prinzip: Mehrere Schaltbauteile (z.B. IGBTs oder SiC MOSFETs) werden direkt in Serie geschaltet, um gemeinsam eine hohe Spannung zu überstehen. Dies ist vergleichbar mit der Serienschaltung mehrerer Batterien, um eine höhere Spannung zu erzielen.

 Hauptprobleme:

• Dynamische Spannungsausgleich: Aufgrund geringfügiger Parameterunterschiede zwischen den Bauteilen (z.B. Schaltgeschwindigkeit, Übergangskapazität) kann die Spannung während des Hochgeschwindigkeits-Schaltens nicht gleichmäßig verteilt werden, was zu Überspannung und Ausfall eines Bauteils führen kann.

• Lösungen: Komplexe aktive oder passive Spannungsausgleichsschaltungen (z.B. Snubber-Schaltungen, Gattersteuerung) sind erforderlich, um die Spannungsaufteilung zu erzwingen, was die Systemkomplexität und -kosten erhöht.

2. Mehrebenen-Umrichtertopologien (Heutige Standardlösung für SST)

2.1 Prinzip: Dies ist ein fortschrittlicherer und leistungsfähigerer „modularer Serienansatz“. Er erzeugt eine stufenförmige Annäherung an eine Sinusschwingung mit mehreren Spannungsebenen, so dass jedes Schaltbauteil nur einen Bruchteil der Gesamt-Gleichstrom-Busspannung übersteht.

2.2 Gemeinsame Topologien:

• Modularer Mehrebenen-Umrichter (MMC): Eine der bevorzugtesten Topologien für mittel- und hochspannungsfähige SSTs. Er besteht aus zahlreichen identischen Teilmodulen (SMs), die in Serie geschaltet sind. Jedes Teilmodul enthält in der Regel einen Kondensator und mehrere Schaltbauteile. Die Bauteile überstehen nur die Spannung des Kondensators des Teilmoduls, was das Problem der Spannungsspannung effektiv löst. Vorteile sind Modularität, Skalierbarkeit und ausgezeichnete Ausgangswellenqualität.

• Fliegend-Kondensator-Mehrebenen-Umrichter (FCMC) und Diode-gedämpfter Mehrebenen-Umrichter (DNPC): Auch häufig verwendete Mehrebenenstrukturen, werden jedoch strukturell und steuerungstechnisch komplexer, wenn die Anzahl der Ebenen zunimmt.

• Vorteile: Lösen grundsätzlich die Spannungsbelastbarkeitsbegrenzung einzelner Bauteile, verbessern erheblich die Qualitäten der Ausgangsspannungswelle und reduzieren die Größe der Filter.

3. Eingangsseriell-Ausgangsparallel (ISOP) Kaskadenstruktur

• Prinzip: Mehrere vollständige, unabhängige Leistungsumsetzer (z.B. DAB, Dual Active Bridge) werden mit ihren Eingängen in Serie und ihren Ausgängen parallel geschaltet, um hohe Spannungen und hohe Ströme zu bewältigen. Dies ist eine systemebene modulare Lösung.

• Vorteile: Jede Einheit ist ein Niederspannungs-Standardmodul, was die Konstruktion, Fertigung und Wartung vereinfacht. Hohe Zuverlässigkeit (Ausfall einer Einheit beeinträchtigt nicht den Gesamtbetrieb). Sehr geeignet für das modulare Designkonzept der SST.

4. Interne Verstärkung: Technologische Innovation auf Bauteilebene (Zukunftsorientierte Entwicklung)

Dieser Ansatz adressiert das Problem grundlegend aus Sicht der Materialwissenschaft und Halbleiterphysik.

4.1 Verwendung von breitbandigen Halbleiterbauteilen

Prinzip: Neue Generation von Halbleitermaterialien wie Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) haben kritische elektrische Feldstärken, die um einen Faktor höher liegen als traditionelles Silicium (Si). Dies bedeutet, dass SiC-Bauteile bei gleicher Dicke viel höhere Spannungsbelastbarkeiten erreichen können als Si-Bauteile.
Vorteile:

• Höhere Spannungsbelastbarkeit: Ein einzelnes SiC MOSFET kann nun leicht Spannungsbelastbarkeiten über 10 kV erreichen, während Silizium-IGBTs in der Regel auf unter 6,5 kV begrenzt sind. Dies ermöglicht vereinfachte SST-Topologien (Reduzierung der Anzahl der seriell geschalteten Bauteile).

• Höhere Effizienz: Breitbandbauteile bieten niedrigere Leitwiderstände und Schaltverluste, was SSTs ermöglicht, bei höheren Frequenzen zu arbeiten, wodurch die Größe und das Gewicht magnetischer Komponenten (Transformator, Spulen) erheblich reduziert werden.
  

• Status: Hochspannungs-SiC-Bauteile sind derzeit ein heißes Thema in der SST-Forschung und gelten als Schlüsseltechnologie für zukünftige revolutionäre SST-Designs.

4.2 Superjunction-Technologie

• Prinzip: Eine fortgeschrittene Technik für siliziumbasierte MOSFETs, die alternierende P-Typ- und N-Typ-Pfeilerregionen einführt, um die elektrische Feldverteilung zu ändern, wodurch die Spannungshemmungskapazität erheblich verbessert wird, während der Einschaltdruck niedrig bleibt.

• Anwendung: Hauptsächlich in Bauteilen mit Spannungsbelastbarkeiten zwischen 600 V und 900 V verwendet. Wird in der Niederspannungsseite oder in den niederleistungsfähigen Abschnitten von SSTs eingesetzt, ist aber für direkte Mittelspannungsanwendungen noch unzureichend.

5. Vergleich

Wie lassen sich die Spannungsbelastbarkeitsbegrenzungen von Leistungshalbleiterbauteilen in SSTs bewältigen?

• Die praktischste und zuverlässigste Lösung derzeit ist die Verwendung von Mehrebenen-Umrichtertopologien (insbesondere modulare Mehrebenen-Umrichter, MMC) oder kaskadierte Eingangsseriell-Ausgangsparallele (ISOP)-Strukturen. Diese Ansätze, basierend auf reifen siliziumbasierten Bauteilen, umgehen die Spannungsbelastbarkeitsflaschenhals einzelner Bauteile durch ausgeklügelte systemebene Architekturen.

• Die grundlegende Lösung für die Zukunft liegt in der Reifung und Kostensenkung von hochspannungs-fähigen breitbandigen Halbleiterbauteilen, insbesondere Siliciumcarbid (SiC). Sobald dies erreicht ist, können SST-Topologien erheblich vereinfacht werden, was einen großen Sprung in Bezug auf Effizienz und Leistungsdichte ermöglicht.

In der tatsächlichen SST-Forschung und -Entwicklung werden oft mehrere Technologien kombiniert – beispielsweise die Verwendung einer MMC-Topologie mit SiC-Bauteilen – um optimale Leistung und Zuverlässigkeit zu erzielen.