(WK-intern) – Mit neuen Siliziumkarbid-Dioden (SiC) ist es Siemens und seinen Forschungspartnern gelungen, die Leistung von Frequenzumrichtern um knapp zehn Prozent zu erhöhen.

In dem soeben abgeschlossenen Projekt MV-SiC wurden diese Dioden in kommerziellen Umrichtern getestet, wie sie für große Antriebe verwendet werden.

SiC-Dioden reduzieren die Komplexität des Systems und steigern aufgrund geringerer Verluste die Energieeffizienz. Ein weiteres Ergebnis: Die Schaltfrequenz von Umrichtern kann etwa um ein Drittel steigen, was die Leistung und den Drehzahlbereich von Antrieben erweitert. Siemens leitete das Projekt, das vom Bundesforschungsministerium im Programm Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung gefördert wurde.

Mit Frequenzumrichtern können Elektromotoren mit variabler Drehzahl betrieben werden. Motoren für große Pumpen, Kompressoren oder Schiffe benötigen so gegenüber ungeregelten Antrieben bis zu 70 Prozent weniger Strom. Da solche Antriebe über eine Leistung von einigen Megawatt verfügen, sind Einsparungen von besonderer Bedeutung. Für diese Leistungen braucht es Umrichter, die Spannungen von einigen Kilovolt (kV) ausgeben. Bislang bestehen solche Umrichter aus konventionellen Silizium-Halbleitern. In dem Projekt erforschten die Partner Infineon, Curamik Electronics, die TU Dresden sowie Experten von Siemens Drive Technologies und der globalen Forschung Corporate Technology (CT) Diodenmodule auf Basis des Halbleitermaterials Siliziumkarbid (SiC), die eine Sperrspannung von 6,5 Kilovolt (kV) besitzen und einen Strom von bis zu 1,2 Kiloampere (kA) aushalten.

Durch Parallelschaltung sogenannter bipolarer SiC-Hochvolt­diodenchips gelang es, funktionsfähige SiC-Diodenmodule mit den geforderten elektrischen Parametern aufzubauen. Um das Schaltverhalten zu optimieren, bauten die Partner eine vollständig digitale Treiberschaltung auf. So erreichen sie hohe Schaltfrequenzen und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, was die Einschaltverluste maßgeblich reduziert. Schwerpunkte der Siemens-CT-Arbeiten lagen auf dem thermischen Verhalten der Chips und Diodenmodule. Weil bei SiC die Durchlassspannung mit steigender Temperatur abnimmt, sind dies entscheidende Faktoren für Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Diodenmodule.

Experten von Siemens Drive Technologies testeten die neuen Module in Sinamics GM150-Umrichtern als Mittelpunktsdioden. Dieses Standard-Umrichtersystem für Einzelantriebe ist durch ein 6,5 kV SiC-Diodenmodul im Aufbau weniger komplex und reduziert so den Materialaufwand bei gleichzeitiger höherer Effizienz.

PM: Dr. Norbert Aschenbrenner Corporate Communications, Corporate Technology
Siemens AG