Konzeption und Realisierung von neuartigen integrierten ETO Hochleistungsbauelementen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde ein neuartiges thyristorbasiertes Hochleistungsbauelement entwickelt, aufgebaut und erfolgreich getestet. Die experimentell erreichten Ergebnisse liegen deutlich über dem Stand der Technik. Ein Hochleistungswafer, welcher in marktüblicher Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) Konfiguration bis 520 A Abschaltstrom spezifiziert ist, wurde in der neuartigen Integrierten Emitter Turn-Off (lETO) Konfiguration erfolgreich bis 1400 A getestet. Neben dieser deutlich gesteigerten Abschaltfähigkeit konnte eine inhärente Stromüberwachung implementiert und zur Erkennung von Kurzschlüssen oder anderen Fehlerfällen eingesetzt werden. Die Abmessungen der erforderlichen Treiberstufe konnten von etwa Din A4 Format (IGCT) auf Kreditkartengröße verkleinert werden. Konzeptbedingt erlaubt das dargestellte System eine Kabelverbindung zwischen Hochleistungsbauteil und Treiberstufe. Dadurch ist eine thermische und mechanische Entkopplung dieser beiden Komponenten gegeben, die sich vorteilhaft in Anwendungen mit häufigen thermischen Zyklen oder hoher Vibration auswirkt (z.B. Bahnanwendungen). Gleichzeitig konnte die Leistungsaufnahme des Bauteiltreibers von heute typischen 30 W je Leistungshalbleiter auf unter 5 W reduziert werden. Industrielle Anwendungsfelder sind beispielsweise in zukünftigen Hochleistungs-DC/DC-Wandlern zu finden. Die Verbreitung und steigende Leistung von Offshore Windparks erfordert eine hocheffiziente und sehr zuverlässige Energieübertragung zwischen dem Windpark und der Küste. Eine Hochspannungsgleichspannungsübertragung (HVDC) gilt dabei als die optimale Lösung. In dieser Anwendung können thyristorbasierte Bauelemente in den Umrichter-Stationen den Wirkungsgrad entscheidend verbessern und bringen gleichzeitig eine gesteigerte Zuveriässigkeit gegenüber der heute verbreitet eingesetzten IGBT-Technik. Das in diesem Projekt erforschte lETO Bauelement bringt entscheidende Vorteile bezüglich benötigter Schutzbeschaltung, Baugröße und Kosten im Vergleich zur heutigen IGCT-Technologie. Für die erfolgreiche industrielle Anwendung ist der Nachweis eines erfolgreichen Dauerbetriebs in Umrichterkonfiguration zu erbringen. Evtl. muss das Bauteil für diesen Zweck optimiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The Integrated Emitter Turn-Off Thyristor (IETO) - An Innovative Thyristor Based High Power Semiconductor Device Using MOS Assisted Turn-Off. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010, September 2010, Atlanta, Georgia
Michael Bragard, Marcus Conrad, Rik W. De Doncker
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Design and Realization of a Credit Card Size Driver Stage for High Power Thyristor Based Devices with Integrated MOS Structure. 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia, May 2011, The Shilla, Jeju, Korea
Michael Bragard, Jan Gottschlich, Rik W. De Doncker
