Eigenschaften und Einsatzgebiete moderner Leistungshalbleiter Seit elektrische Energie zur Verfügung steht , werden zum Schalten und Steuern des elektrischen Stromes Schalter benötigt. In den 60er Jahren wurden hierfür erstmals Leistungshalbleiter eingesetzt. Heute findet der Anwender eine Vielzahl derartiger Bauelemente auf dem Markt:

Leistungshalbleiter für Netzanwendungen Thyristoren

Netz-Dioden

Abschaltbare Leistungshalbleiter mit bipolarem Transistor,

MOSFET IGBT GTO IGCT

und zugehörigen schnellen Freilaufdioden Thyristoren für Netzanwendungen Vor einigen Jahren gab es neben dem Thyristor für Netzanwendungen noch eine Vielzahl von Varianten welche als sogenannte schnelle Thyristoren in der Umrichtertechnik zum Einsatz kamen. Solche schnellen Thyristoren mit ihren Ablegern den „asymmetrischen Thyristoren“ (ASCR) und dem „Gate-abschaltunterstützten Thyristor“ (GATT) spielen in heutigen Betrachtungen keine Rolle mehr. Auch in seinem klassischen Einsatzgebiet der Gleichstromantriebs-technik verzeichnet der Thyristor einen stetigen Bedarfsrückgang. Die Gleichstromantriebstechnik wird derzeit mehr und mehr durch die

Drehstromtechnik abgelöst. Dort kommen abschaltbare Leistungs-halbleiter zum Einsatz. Für die klassischen Einsatzgebiete mit Anschlussspannungen bis 660Veff und den daraus resultierenden Sperrspannungsbereichen bis 1800V werden praktisch keine Entwicklungen vorangetrieben. Im Höchstleistungsbereich sieht die Sache jedoch anders aus. Neben lichtzündbaren Thyristoren mit integrierter BOD-Notzündung ist die Entwicklung von Höchstleistungsthyristoren mit Sperrspannungen bis 10kV absehbar. Die typischen Anwendungen hierfür sind HGÜ-Anlagen, Netzkupp-lungen, Ersatz für mechanische SF6 Mittelspannungschalter und Sanftanlaufschaltungen für Drehstrommotoren. Dioden für Netzanwendungen Bei Dioden für Netzanwendungen ist eine verstärkte Nachfrage zu bemerken. Dieser wird hervorgerufen durch den steigenden Bedarf an Umrichtern für die Drehstrom-Antriebstechnik. Dort werden die Dioden meistens in modularer Bauform als ungesteuerte Gleichrichter eingesetzt. Auch hier zeichnet sich ab, dass die klassischen Netzdio-den durch getaktete Eingangsgleichrichtern unter Verwendung von abschaltbaren Leistungshalbleitern aus diesen Anwendungen mittel- bis langfristig verdrängt werden. Mit getakteten Gleichrichtern ist eine Netzgleichrichtung mit cosphi 1 möglich. Auch die Rückspeisung von Energie in das Netz ist damit möglich. Klassische Neuentwicklungen im Bereich der Netzdioden finden praktisch nicht statt.

Abschaltbare Leistungshalbleiter Im Bereich der abschaltbaren Leistungshalbleiter hat es in den letzten Jahren eine äußerst stürmische Entwicklung gegeben. Das „Arbeitspferd“ der frühen Jahre, der bipolare Transistor, ist gänzlich aus dem Feld der klassischen Umrichtertechnik verdrängt. Der MOSFET ist hauptsächlich in hochtaktenden (>75kHz) Anwendungen zu finden. Diese sind typischerweise getaktete Netzgeräte und unterbrechungsfreie Stromversorgungen. In Wechselrichter für die Drehstrom-Antriebstechnik findet er wegen des hohen RDSON bei den dort benötigten Sperrspannungen von >1000V keine Berücksichtigung. Der IGBT ist heute der ultimative abschaltbare Leistungshalbleiter. Er deckt praktisch alle Anwendungsbereiche in der Umrichtertechnik ab. Trenched IGBT finden Verwendung in batteriegetriebenen Anwendungen, super schnell schaltende Varianten finden Einsatz in hochtaktenden Anwendungen wie z.B. getakteten Netzgeräten oder unterbrechungsfreien Stromversorgungen, leistungsfähige IGBT Einzelschalter mit Nennströmen von bis zu 2400A und einer Sperrspannung von bis zu 3300V finden Einsatz in Umrichtern für die Drehstrom-Antriebstechnik bis zu einer Leistung von ca. 1.2MVA bei forcierter Luftkühlung. Varianten mit bis zu 650A Nennstrom und 6500V Sperrspannung sind angekündigt bzw. in Musterstückzahlen erhältlich. Dem GTO erwächst dadurch ein nicht zu unterschätzender Konkurrent im unteren und mittleren Leistungsbereich zumal dieser derzeit von einem neuen sehr leistungsstarken abschaltbaren Leistungshalbleiter dem IGCT abgelöst wird. Neuentwicklungen werden mit dem GTO nicht mehr durchgeführt.

Der IGCT weißt gegenüber dem GTO gravierende Vorteile auf. Die Treiberschaltung ist integrale Bestandteil des IGCT. Durch die Abschaltverstärkung eins geht der IGCT beim Ausschalten vom Thyristorzustand direkt in den Transistorzustand über. Dadurch kann er ohne RCD-Entlastungsschaltung betrieben werden. Eine direkte Serienschaltung ist im Gegensatz zu GTO auch möglich. Die in jeder Wechselrichterschaltung notwendigen schnellen Dioden eingesetzt als Freilaufdioden sind derzeit als die kritischsten Leistungshalbleiter anzusehen. Benötigt werden schnelle Dioden mit sehr kleinen Rückstromspitzen, kurzen Erholzeiten, sanftem Abrissverhalten, niedrigen Durchlassverlusten bis zu höchsten Sperrspannungen und dabei sollen sie noch parallelschaltfähig sein. Diese Forderungen stellen für die Entwickler die „Quadratur des Kreises“ dar, da die Optimierung einer Eigenschaft konträr zu einer anderen geforderten Eigenschaft verläuft. Festzustellen gilt, dass selbst der beste abschaltbare Leistungshalbleiter nicht die gewünschte Leistung bringt wenn die Freilaufdiode nicht optimal dazu angepasst ist. Es werden daher derzeit erhebliche Anstrengungen unternommen neue schnelle Dioden mit besseren Gesamteigenschaften zu entwickeln. Mit den IGCT´s und IGBT´s stehen dem Anwender nun, neben dem GTO, zwei weitere sehr leistungsfähige Leistungs-Halbleiterschalter zu Verfügung. Wo, im weiten Feld der Anwendungen, sind diese optimal einsetzbar? Ergänzen sie sich mit der oder konkurrieren sie in der Anwendung? Die Technologie IGBT ist, wie Der allgemein bekannt, eine monolithische Integration aus MOSFET und bipolarem Transistor. Er vereinigt im wesentlichen das gute Schaltverhalten des MOSFET mit dem guten

Durchlassverhalten des bipolaren Transistors. Die Ansteuerung ist, bei nur geringen Ansteuerleistungen, verhältnismäßig einfach. Die IGBT´s sind in den vorgenannten Leistungsdaten als Module erhältlich. In diese Module werden Einzelschalter und Phasenzweige bis hin zu kompletten Wechselrichterschaltungen eingebaut. Der Metallboden eines solchen Moduls ist elektrisch gegen Erde als Bezugspotential isoliert. Dabei werden Isolationsmaterialien ein-gesetzt, die eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit aufweisen. Solche Module erlauben den kompakten und niederinduktiven Aufbau einer leistungselektronischen Endstufe. Bei Modulen in den vorgenannten Leistungsgrößen wird noch zusätzlich eine Steuerelektronik benötigt. Diese ist sehr genau auf die Belange des gesamten Aufbaues des Wechselrichters und der verwendeten IGBT`s abzustimmen. Der IGCT ist eine Weiterentwicklung des GTO. Durch eine harte Ansteuerung mit Abschaltverstärkung "1", tritt das Element beim Ausschalten direkt vom Thyristor- in den Transistor-Betriebszustand über. Dies erlaubt den Betrieb ohne zusätzliche Beschaltung. Der IGCT vereinigt im wesentlichen das sehr gute Durchlassverhalten von Thyristoren mit dem Schaltvermögen von bipolaren Transistoren. IGCT´s sind in Scheibenzellen-Bauform als rückwärtsleitende oder asymmetrisch sperrende Ausführung erhältlich. In der rückwärtsleitenden Ausführung ist die, für die meisten Umrichterschaltungen erforderliche Freilaufdiode auf dem Silizi-umchip des IGCT integriert, bei der asymmetrisch sperrenden Ausführung wird zusätzlich eine externe Diode benötigt. Diese Einzelschalter verfügen über keine elektrische Isolation gegen Erde. Daher montiert man die Einzelschalter auf getrennte Kühler, die dann elektrisch isoliert werden. Die zur Ansteuerung notwendige Elektronik gehört zum Lieferumfang des IGCT. Eine weitergehende Abstimmung ist nicht notwendig.

Der Aufbau eines 2-Puls-Wechselrichters mit IGBT´s und IGCT´s Die Konstruktion eines Wechselrichters mit IGBT´s unterscheidet sich stark von einem Aufbau bei dem IGCT´s zum Einsatz kommen. Ein Wechselrichteraufbau mit IGBT`s muss mit kleinstmöglichen Streuinduktivitäten bewerkstelligt werden, da die einzelnen Schalter innerhalb der Wechselrichterbrücke hart geschaltet werden. Die Kommutierungswege müssen so kurz wie möglich gestaltet werden, um die Schaltspannungsspitzen beim Ausschalten des Kollektorstromes in akzeptablen Grenzen zu halten. Hierbei sind die maximalen in der Anwendung vorkommenden Ströme bei ungünstigsten, sprich höchsten, in der Anwendung vor-kommenden DC-Zwischenkreisspannungen zu berücksichtigten. Dies zwingt zu einer kompakten, lateralen, auf einem großflächigen Kühler basierenden Konstruktion des Wechselrichters (Bild 1). Die IGBT-Module werden zusammen mit der entsprechenden Treiberelektronik auf den Kühler montiert; bei Einzelschaltern bis zu sechs Stück, bei Phasenzweigen bis zu 3 Stück. Darüber wiederum wird ein laminiertes DC-Bus-System mit den erforderlichen Zwischenkreiskondensatoren montiert. Der modulare Aufbau der IGBT´s unterstützt eine solche Konstruktion optimal. Grundsätzlich unterschiedlich gestaltet sich die Konstruktion beim Einsatz von IGCT´s . Die maximal zulässigen Stromänderungsgeschwindigkeiten liegen in diesem Fall bei ca. 500A/us. Dies ist weniger durch das Schaltvermögen der IGCT´s bedingt, als durch das Ausschaltverhalten der Freilaufdioden. Die Stromänderungsgeschwindigkeit wird mit einer Drossel eingestellt, die zwischen dem Zwischenkreiskondensator und der Wechselrichterbrücke platziert wird. Dazu ist ein Clampkreis als Drosselbeschaltung, welcher möglichst niederinduktiv an die Wechselrichterbrücke anzuschließen ist, vorzusehen. Die Treiberelektroniken sind Bestandteil der IGCT´s. Hierfür sind keine weiteren Aufwendungen, sowohl technisch als auch kommerziell

notwendig. Da der Aufbau der Wechselrichter-Brücke selbst nicht (Bild 2) niederinduktiv sein muss, entfällt die harte Bedingung nach äußerst kompakten Aufbauten. Die Scheibenzellen Bauform der IGCT´s bringt daher für diese Aufbauten keine Nachteile.

Bild1: Streuinduktivitätsarmer Aufbau einer IGBT-Wechselrichterendstufe

Bild 2: Aufbau einer IGCT-Wechselrichterendstufe

IGBT / IGCT - Einsatz in einem 1MVA 2-Puls-Wechselrichter Ein direkter Vergleich von technologisch unterschiedlichen Leistungshalbleitern über die Datenblattangaben ist sehr schwer und endet meistens in totaler Konfusion. Wir vergleichen die unterschiedlichen Techniken deshalb anwendungsorientiert, d.h. unter Verhältnissen, wie sie sich z. B. beim Einsatz in einem 1MVA 2-Puls-Wechselrichter ergeben. Der Wechselrichter möge folgende Leistungsdaten haben: Paus: 1200kVA Vaus: 1200Veff Iaus: 578Aeff PWM: 750Hz Kühlung: Luft Umgebungstemperatur: 45°C Kühlart: Luft, forciert belüftet mit 6m/s Kühler: Aluminium Strangpreßprofil Last Motor cos phi 0,9: Motor Faus: 50Hz Alle nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich der Einfachheit halber immer auf den Betriebspunkt. Anlassbedingungen bzw. Bedingungen, wie sie beim Bremsen des Motors entstehen, werden nicht berücksichtigt. Der Vergleich wird für einen IGBT mit den Leistungsdaten 1200A/3300V und für den IGCT der Typbezeichnung 5SHX26L4502 durchgeführt.

IGBT/IGCT Verlustleistung Für die im Leistungshalbleiter entstehende Verlustleistung ist im wesentlichen das Durchlassverhalten sowie die Einschalt- und Ausschaltverlustenergie maßgebend. Nachfolgende Angaben sind auf gleiche Arbeitspunkte bezogen und stellen sich wie folgt dar: IGBT Diode IGCT Diode Bedingung Durchlassspannungsabfall: 3V 2,5V 2,10V 3,10V It=820A;Tvj=115°C; Einschaltverlustenergie: 2,1Ws 0,20Ws It=820A; Tvj=115°C Vs<1700V Ausschaltverlustenergie: 1,7Ws 0,4Ws 2,6Ws 1,2Ws It=820A;Tvj=115°C Vs<2200V

Unter den so definierten Betriebsbedingungen und Datenblattangaben ergeben sich laut Berechnung folgende Verlustleistungen.: Verlustleistungen: IGBT Diode Schalter IGCT Diode Schalter 1023W 359W 1382W 502W 435W 937W

Der IGBT erzeugt insgesamt 1382W Verlustleistung. Der IGCT erzeugt eine Verlustleistung von insgesamt 937W. IGBT / IGCT; Thermischer Haushalt Die für den thermischen Haushalt relevanten Daten und Parameter sind im wesentlichen die erzeugten Verlustleistungen, die Umgebungstemperatur, der thermische Widerstand des eingesetzten Kühlers, sowie die inneren thermischen Übergangswiderstände der eingesetzten Halbleiterschalter und deren zulässige Sperrschichttemperatur. Bei der Berechnung des thermischen

Haushaltes hat man prinzipiell zwei Möglichkeiten. Entweder man rechnet bei gegebenem thermischen Übergangswiderstand für den Kühler auf die sich dann einstellende Chiptemperatur oder, bei Festlegung der sich einstellenden Chiptemperatur, auf den hierfür erforderlichen thermischen Übergangswiderstand des Kühlers. Hierbei sind die im für den Halbleiterschalter im Datenblatt angegebenen Grenzwerte zu beachten. Die für den thermischen Haushalt relevanten Datenblattwerte stellen sich wie folgt dar: IGBT Diode IGCT Diode Einheit Maximale Sperrschicht-: 125 125 115 115 K/W Temperatur, empfohlen nach Datenblatt Thermischer Übergangs-: 0.0095 0,018 0,012 0,021 K/W widerstand Kühler zu Gehäuse Thermischer Übergangs-: 0,006 0,003K/W Widerstand Kühler per Modul bei beidseitiger zu Gehäuse Kühlung

Beim Einsatz von IGBT´s und Montage mehrerer Module (bis zu sechs Stück) ergeben sich so folgende Anzahlen und Größen der Kühler (Bild 3 und 4): Anzahl der IGBT´s- Module auf einem Kühler 6 Stück 3 Stück 2 Stück Erforderlicher ther- <0,0075 <0,015 <0,023 (K/W) mischer Widerstand des Kühlers Kühlergröße 84*750*800 84*750*800 84*500*500 (mm) Thermischer Wider- 0,01125 <0,01125 <0,02 (K/W) stand des Kühlers Erforderliche Anzahl Einsatz ist so 2 Kühler 3 Kühler der Kühler nicht möglich

Länge L (mm) Wärmewiderstand Rthk (kW) bei Breite A (mm)

300 400 500 600 700100 0.44 0.33 0.25 0.21 0.18200 0.25 0.19 0.15 0.13 0.109300 0.19 0.14 0.11 0.1 0.08400 0.15 0.11 0.09 0.08 0.06500 0.13 0.1 0.08 0.06 0.05600 0.11 0.09 0.06 0.05 0.05700 0.1 0.08 0.06 0.05 0.05800 0.09 0.075 0.06 0.05 0.045

Bild3: Typischer Flächenkühlkörper für IGBT-Wechselrichterendstufen

Bild 4: Sechs IGBT-Module montiert auf einen Flächenkühlkörper

Beim Einsatz von IGCT´s und Montage je eines Scheibenelementes zwischen zwei Kühler- hälften ergeben sich so folgende Anzahlen und Größen der Kühler (Bild 5 und 6): Anzahl der IGCT´szwischen zwei Kühlerhälften 6 Stück Erforderlicher thermischer Widerstand < 0,120 (K/W) einer Kühlerhälfte Kühlergröße 84*200*200 (mm) Thermischer Widerstand 0,10 einer Kühlerhälfte Erforderliche Anzahl 12 Stück von Kühlerhälften Das Ergebnis der Berechnungen belegt, dass sich ein mit IGBT´s hergestellter Wechselrichter in der dargestellten Leistungsgröße unter Verwendung kostengünstiger stranggepresster Kühlprofile nicht darstellen lässt. Die anfallende Gesamtverlustleistung von 8292W ist zu hoch und kann von einem Kühler in den Abmessungen 84*750*800mm nicht mehr abgeführt werden. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, wäre die Verlustleistung auf mehrere Kühler aufzuteilen. Möglich wären jeweils 3 Module auf je einen Kühler oder gar nur jeweils 2 Module in Phasenzweiganordnung auf insgesamt 3 Kühler zu montieren. Dies führt neben voluminösen schweren Aufbauten und ungünstigen Kühlbedingungen zu weiteren techni-schen Nachteilen. Die Forderung nach kurzen Kommutierungswegen kann nicht mehr eingehalten werden. Dies führt spätestens beim Ausschalten von Über- bzw. Kurzschlussströmen zu nicht beherrschbaren Schaltspannungsspitzen. Auch entsprechende

Treiberabstimmungen lösen dieses Problem nicht. Die mit IGBT´s in dem geschilderten Aufbau realistisch erreichbare Leistung eines Wechselrichters dürfte bei ca. 750kVA liegen, bei Schweran- laufforderung bei ca. 500kVA. Bei Verwendung sehr großer Heatpipes (Volumen für Finnen 600mm*600mm*300mm) und der Montage von zwei IGBT-Modulen pro Heatpipe ( die vorher definierten Kühlbedingungen bleiben unverändert) können Wechselrichterleistungen bis ca. 1200kVA erreicht werden. Die für die Kühlung anteiligen Kosten steigen jedoch deutlich. Eine weitere Alternative ist der Einsatz von Wasserkühlern mit den entsprechenden Rückkühlsystemen. In der Praxis ist jedoch auch bei Verwendung von Wasserkühlern keine signifikante Leistungserhöhung mehr realisierbar, da unter diesen Anwendungsbedingungen die Lebensdauererwartung der IGBT-Module drastisch sinkt. Der IGCT erzeugt in dieser Anwendung eine Gesamtverlustleistung von 973W. Je ein IGCT wird zwischen zwei Kühlerhälften montiert. Jede Kühlerhälfte hat 486,5W Verluste abzuführen. Die hierzu notwendigen Kühlerhälften fallen mit den Abmessungen 84*200*200mm relativ klein aus. Die Kühler müssen gegen das Bezugspotential Erde isoliert aufgebaut werden. Die Auslegung ist thermisch noch nicht ausgereizt. Bei Einsatz effizienterer Kühler, z. B. Wasserkühlern sind deutlich höhere Wechselrichterleistungen möglich.

Bild 5: Beispiel einer Kühlerhälfte zur Kühlung eines IGCT

Bild 6: IGCT montiert zwischen zwei Kühlerhälften

IGBT / IGCT - Einsatz in einem 3-Punkt-Wechselrichter In dieser Anwendung werden zwei IGBT´s pro Phasenzweigarm in Serie geschaltet. Die Anschlussspannung und die Zwischenkreisspannung sind gegenüber den Spannungen des Zwei-Punkt-Wechselrichters doppelt so hoch. Damit wird bei gleicher Strombelastung der einzelnen Halbleiterschalter die doppelte Wechselrichterleistung, bei annähernd gleicher Verlustleistung der einzelnen Halbleiterschalter, erzielt. Da die Bodenplatten der IGBT-Module elektrisch gegen Bezugspotential Erde isoliert sind, lassen sich die zwei pro Phasenzweig in Serie geschaltete IGBT-Module auf einen Kühler montieren. Der Wechselrichter ließe sich so mit insgesamt 12 IGBT-Modulen und sechs Kühlern aufbauen. Die in den Datenblättern ausgewiesenen Isolationsspannungen ermöglichen dies. Allerdings ist es bei dieser Anwendung empfehlenswert, die Hersteller genauestens nach der Teilentladungsfestigkeit und hier, in erster Linie, nach der Glimmaussetzspannung zu befragen. Diese sind in vielen Fällen nicht ausreichend hoch. Sollte dies der Fall sein, muss das Emitterpotential jenes IGBT´s, der auf dem höchsten Emitterpotential - bezogen auf das Erdpotentail - liegt, auf den Kühler gelegt werden. Das bedeutet aber, dass in diesem Fall der Kühler selbst isoliert werden muß und die elektrische Isolation im Innern des IGBT-Moduls nicht mehr genutzt wird. Diese Isolation stellt sich nun als zusätzlicher Wärmewiderstand dar. Mit den heute verfügbaren IGBT´s sind in dieser Anwendung Zwischenkreisspannung bis ca. 3600V realisierbar. Auf die Problematik der Höhenstrahlungsfestigkeit sei an dieser Stelle hingewiesen. Der IGCT wird in dieser Anwendung ebenso eingebaut wie in der Anwendung "2-Punkt Wechselrichter" beschrieben. Zwischen zwei Kühlerhälften wird je ein IGCT montiert. Davon werden zwölf Einheiten benötigt. Diese Einheiten müssen untereinander und gegen das Bezugspotential Erde isoliert werden (Bild 7). Die Isolationsspannung und Teilentladungsfestigkeit ist nun abhängig von

den verwendeten Isolationsmaterialien sowie den Luft- und Kriechstrecken. Mit den heute verfügbaren IGCT´s sind in dieser Anwendung mit hoher Höhenstrahlungsfestigkeit Zwischenkreis-Spannungen bis 6000V realisierbar.

Bild 7: IGCT 3-Punkt-Wechselrichterendstufe IGBT / IGCT Lebensdauer Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass der IGBT, betrieben innerhalb der beschriebenen Grenzen, thermisch hoch belastet ist. Der innere Aufbau eines Modules ist immer ein lateraler Mehrschichtenaufbau, in dem unterschiedliche Materialien durch Löten stoffschlüßig miteinander verbunden werden. Die Chips sind durch viele sogenannte Wirebonds am Emitter kontaktiert. Wird ein

solcher Aufbau durch starke Lastschwankungen im Zeitbereich mehrerer Sekunden zyklisch aufgeheizt und abgekühlt, kommt es zu Materialermüdungen. Diese bewirken den Ausfall des IGBT-Moduls. Die zu erwartende Lebensdauer ist abhängig vom Temperaturhub und der Zeit, in der ein solcher Zyklus durchlaufen wird. Je höher der Temperaturhub ist, um so kürzer ist die zu erwartende Lebensdauer. Bei Temperaturhüben von 80°C werden Lebensdauern von einigen 10.000 solcher Zyklen prognostiziert. Bei Pumpenantrieben, die typischerweise lange Zeit unter relativ konstanten Lastbedingungen laufen, ist dies eher unkritisch. Bei Antrieben, die z.B. in Bahnbetrieb eingesetzt werden, ist dieser Effekt der Materialermüdung in der Auslegung des Wechselrichters zu berücksichtigen. Um die in dieser Anwendung geforderten Lebensdauer einhalten zu können, mus der Temperaturhub klein gehalten werden. Dies kann durch die Überdimensionierung der IGBT-Module erreicht werden. Ein Antrieb, der diesen Aspekt mit berücksichtigt, bringt unter den vorgenannten Betriebsbedingungen noch eine Wechselrichterleistung von ca.300kVA. Der IGCT ist ein sogenanntes Scheibenelement. Die verschiedenen Materialien innerhalb der Scheibe sind nicht stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Kontakt wird über den durch eine Spannvorrichtung erzeugten Anpreßdruck hergestellt. Dies geschieht beim Verspannen der IGCT-Scheibe mit den beiden Kühlerhälften. Beim zyklischen Erwärmen können die verschiedenen Materialien innerhalb dieser IGCT-Scheibe in gewissen Grenzen aufeinander gleiten. Dadurch hat der IGCT eine deutlich höhere Lebensdauer. Bei einem Temperaturhub von 80°C können einige 100.000 solcher Zyklen erwartet werden. Eine Überdimensionierung ist nicht notwendig.

Zusammenfassung Der IGBT ist das ideale Bauelement für 2-Punkt-Wechselrichter mit Leistungen bis ca. 1MVA. Der Einsatz effizienter und ausgeklügelter Kühler bzw. Kühlsystem ist jedoch notwendig, weil der IGBT vergleichsweise hohe Verlustleistungen erzeugt. Für höhere Leistun-gen müssen entweder mehrere IGBT´s direkt, oder komplette Wechselrichter parallel geschaltet werden. Dies geht direkt in die Kosten ein. Beim Einsatz in 3-Punkt-Wechselrichtern ist zu berücksichtigen, dass mit den heute zur Verfügung stehenden IGBT-Modulen Zwischenkreisspannungen von ca. 3600VDC erreicht werden können. Ein Einsatz am 3300Veff-Netz ist damit nicht möglich. Weiterhin ist zu beachten, dass unter Umständen die Teilentladungsfestigkeit der IGBT-Module nicht ausreichend ist. Eine Überdimensionierung der IGBT-Module muss, je nach Anwendung und Forderung des Endkunden, mit berücksichtigt werden. Der IGCT ist ein sehr wirtschaftliches Bauelement für 2- und 3-Punkt-Wechselrichter mit Leistungen ab 1MVA. Doch auch im Leistungsbereich zwischen 500kVA bis 1MVA ist es durchaus interessant, den IGCT´s in Betracht zu ziehen. Der Treiber ist im Lieferumfang enthalten, laminierte DC-Bus-Verschienungen werden nicht benötigt und durch vergleichsweise geringe Verlustleistungen ist der Kühleraufwand moderat. Es wird jedoch eine di/dt-Begrenzungsdrossel und ein Überspannungsclamp benötigt. Durch die hohe Sperrspannung der IGCT´s können diese in 2-Punkt-Wechselrichter bis Zwischenkreisspannungen von 3000VDC betrieben werden. Beim Einsatz in 3-Punkt-Wechselrichtern können Zwischenkreisspannungen bis 6000VDC erreicht werden. Der Einsatz am 3300Veff-Netz ist möglich. Probleme mit zu geringen Teil-Entladungsfestigkeiten treten bei richtiger Wahl bzw. Auslegung der Isolierstoffe, Kriech- und Luftstrecken nicht auf . Ebenso kann in den

meisten Anwendungen auf eine Überdimensionierung zur Erhöhung der Lebensdauer verzichtet werden. GVA Leistungselektronik GmbH Herr Werner Bresch Boehringerstrasse 10-12 68307 Mannheim Tel: 0621 789 92 12 Fax: 0621 789 92 99 e-mail: w.bresch@gva-leistungselektronik www.gva-leistungselektronik.de

Anhang

Thyristor

0100020003000400050006000

0 2000 4000 6000 8000 10000

Sperrspannung

Stro

mbe

last

bark

eit

Module Diskret

Abschaltbare Leistungshalbleiter

01000

2000

30004000

5000

0 2000 4000 6000 8000 10000

Sperrspannung

Abs

chal

tbar

er S

trom

IGBT IGCT GTO