Stier, Sven Harri (2009)
IGBT-Schwingkreiswechselrichter hoher Leistung und hoher Frequenz in modularer Bauweise.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Schwingkreiswechselrichter werden seit Jahrzehnten für die schnelle Erwärmung von Metallen eingesetzt. Dabei unterscheidet man zwei Arten der Erwärmung, das Schmelzen und das Härten des Metalls (meist Stahl). Während für das Schmelzen eher niedrige Wechselrichterfrequenzen nötig sind, um eine hohe Eindringtiefe zu gewährleisten, ist die hohe Eindringtiefe beim Härten unerwünscht, da hier nur die Oberfläche erwärmt werden soll. Es werden hier hohe Frequenzen gefordert, die aufgrund der nicht perfekten und verlustleistungsbehafteten leistungselektronischen Schalter nur durch Schwingkreiswechselrichter bereitgestellt werden können. Bis weit in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden teure, wartungsintensive und verlustbehaftete Elektronenröhren als Schalter eingesetzt. Diese wurden in den 60er Jahren im unteren Frequenzbereich von Frequenzthyristoren ersetzt. Thyristoren weisen den Nachteil auf, dass sie nicht selbstständig ausschalten können, sondern von der Schaltung zwangskommutiert werden müssen. Bei Frequenzen jenseits der 10 kHz wurden aber weiterhin Elektronenröhren eingesetzt. In den 70er Jahren wurden bereits MOSFET-Schwingkreiswechselrichter auch für hohe Frequenzen gebaut. MOSFETs haben den Vorteil, dass sie für hohe Frequenzen einsetzbar sind, da die Schalt- und Treiberverluste sehr gering sind. Der MOSFET ist ein unipolares leistungselektronisches Bauelement und somit stehen zum Ladungstransport nur Löcher oder Elektronen zur Verfügung, was sich in einem hohem Drain-Source Widerstand RDS ON niederschlägt. Der Drain-Source Widerstand RDS ON und damit die Durchlassspannung ist gerade bei MOSFET-Typen mit hohen Sperrspannungen (>200V) hoch und um die Leitverluste in erträglichen Maßen zu halten, müssen viele MOSFETs parallel geschaltet und betrieben werden. Diese Lösungen sind aufgrund des hohen Siliziumverbrauchs recht teuer und die Ansteuerschaltungen müssen für große Ströme der parallelen Gateanschlüsse ausgelegt sein. IGBTs weisen durch ihren bipolaren Ladungstransport bessere statische Eigenschaften auf. Doch ist bei ihnen die Schaltfrequenz durch die höheren Schaltverluste und Schaltzeiten begrenzt. Bei IGBTs der neueren Generation sind diese Schaltverluste aber deutlich gesunken, so dass sie in Frequenzbereiche bis zu 100 kHz vorgedrungen sind. Durch das Parallelschalten und sequentielles Betreiben sind aber auch 400 kHz möglich und in dieser Arbeit nachgewiesen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Schwingkreiswechselrichter hoher Frequenz zur induktiven Erwärmung in modularer Bauform zu entwickeln und in Betrieb zu nehmen. Dabei kommt ein neuartiges sequentielles Ansteuerverfahren zum Einsatz, dessen Wirksamkeit im Vergleich zur klassischen Parallelschaltung nachzuweisen ist. Durch die modulare Bauform ergeben sich Kostenvorteile zu den bisherigen Lösungen. Die einzelnen Wechselrichtermodule, die durch Zusammenschaltung beliebige Frequenzen und Ausgangsleistungen erreichen können, sind im Fehlerfall schnell und komplett wechselbar. Eine niederinduktive Anbindung an den Spannungszwischenkreis und Abstützung der Zwischenkreisspannung an den IGBT- Modulen durch Snubberkondensatoren ist durch eine neuartige modulare Bauweise gegeben. Es wurde eine digitale Ansteuereinheit auf CPLD Basis entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen. Dieser Steuersatz ist in der Lage, sich innerhalb weniger Zyklen auf neue Resonanzfrequenzen im laufenden Betrieb einzustellen, wie es zum Beispiel beim Erreichen der Curietemperatur des Werkstücks erforderlich ist. In dieser Ansteuereinheit wurden neue Schutzkonzepte bei Fehlerfällen und eine selbstständige Anlaufsteuerung nach Erteilung eines Freigabesignals implementiert. Die Leistungsregelung geschieht durch das Schalten von Freilaufpfaden. Es wurden hochpräzise Stromnulldurchgangswandler entwickelt und erfolgreich getestet. Beim Betrieb dieser Anlage konnten die nicht zu vernachlässigenden Auswirkungen des Leitfähigkeitsmodulatonseffekts und anderer parasitärer Effekte bei bipolaren Leistungshalbleitern (NPT-IGBTs und PIN Dioden) im hart- und weichschaltenden Betrieb nachgewiesen und ein Modell hierzu entwickelt werden, das mit einem bestehenden parametrisierbaren Modell von einem Bauelementemodelleditor und eigenen Messungen verglichen wird.

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