A GaN-based switched-mode gate-drive unit for medium-voltage IGBTs

Beushausen, Steffen; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Divan, Deepakraj M. (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center ; PGS, Power Generation and Storage Systems 92
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Im Jahr 2010 entfielen 21 % des Primärenergieverbrauchs in der Europäischen Union auf den Elektrizitätssektor, mit einer steigenden Prognose von bis zu 28 % bis zum Jahr 2050. Dieser steigende Bedarf an elektrischer Energie in Verbindung mit der zunehmenden dezentralen Erzeugung durch erneuerbare Energien erfordert innovative Lösungen in den Bereichen Stromerzeugung, -verteilung und -übertragung. Um einige der Herausforderungen, die mit dem Anstieg der Nachfrage und der dezentralen Erzeugung verbunden sind, zu bewältigen, wurde der Forschungscampus "Flexible Elektrische Netze" (FEN) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gegründet. Obwohl sich die Herausforderungen letztlich vor allem auf der Systemebene manifestieren, können und müssen viele Probleme an der Wurzel, also auf der Komponentenebene, gelöst werden. Daher konzentriert sich das FEN nicht nur auf die Forschung auf Systemebene, sondern auch auf die Entwicklung auf Komponentenebene für eine Verbesserung der zukünftigen Energieverteilung. Die Forschung auf Komponentenebene des FEN begann mit Arbeiten an Umrichtern und Komponenten wie Leistungshalbleiterbauelementen und Mittelfrequenztransformatoren (MFTs) für Hochleistungs-Gleichstromwandler für mittlere Spannungen (MV). Die hier vorgestellte Arbeit war Teil der Forschungsarbeit, die sich auf die Verbesserung der Eigenschaften von Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBTs) in MV-Umrichteranwendungen konzentrierte. Es wurde eine auf Galliumnitrid (GaN) basierende Switched-Mode-Gate-Drive-Unit (SMGDU) für MV-IGBTs entwickelt, um das dynamische Verhalten des IGBTs entsprechend seiner Anwendung zu optimieren. Die Gate-Drive-Unit (GDU) besteht aus einer Leistungsstufe mit GaN High-Electron-Mobility Transistors (HEMTs) in Halbbrückenkonfiguration, die einen Abwärtswandler mit der Gate-Emitter-Kapazität des IGBTs als Ausgangskapazität bilden. Er ist in der Lage, mit einer Frequenz von bis zu 30 MHz zu schalten, um das Schaltverhalten des IGBT während der Schalttransienten durch eine dynamische Gate-Strom- und -Spannungsanpassung zu steuern. Zunächst wurde ein Open-Loop-Ansatz implementiert, um die Möglichkeiten einer dynamischen Anpassung der IGBT-Schalttransienten zur Reduzierung der Belastung und der Schaltverluste des Bauelementes zu untersuchen. Um diese dynamische Anpassung zu erreichen, ändert ein Field-Programmable Gate Array (FPGA) den Tastgrad der SMGDU-Ausgangsstufe während der Schalttransienten entsprechend einem vorprogrammierten Profil. Anschließend wurde ein separater Transientenregler implementiert, der entweder die Strom- oder die Spannungsflanke steuert. Aufgrund der kurzen Ansteuerungszeiten im Bereich von 1 μs bis 2 μs wurde für den transienten Regler eine rein analoge Implementierung gewählt. Schließlich wurde ein kombinierter Transientenregler implementiert, der sowohl die Spannungs- als auch die Stromanstiegsgeschwindigkeit des MV-IGBT wirksam beeinflusst. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die vorgeschlagene SMGDU in der Lage ist, die Schalttransienten von MV-IGBTs (UCES typischerweise 3,3 kV bis 6,5 kV) dynamisch zu steuern und insbesondere die Leistungsspitzen und Schaltverluste zu reduzieren. Es wird erwartet, dass der vorgeschlagene Gate-Treiber, der die Schalttransienten an die Anforderungen einer bestimmten Anwendung anpassen kann, Vorteile bei der Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI), der Verringerung der Filtergröße, der Verbesserung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer der Lager elektrischer Maschinen in umrichtergespeisten Antrieben bietet.