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IGBT-Schwingkreiswechselrichter hoher Leistung und hoher Frequenz in modularer Bauweise

Stier, Sven Harri :
IGBT-Schwingkreiswechselrichter hoher Leistung und hoher Frequenz in modularer Bauweise.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: IGBT-Schwingkreiswechselrichter hoher Leistung und hoher Frequenz in modularer Bauweise
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Resonant inverters are used in fast induction heating applications for decades. There are two different kinds of heating, the melting and the hardening (e.g. steel). Low working frequencies are used for the melting, to allow a high penetration depth. The high penetration depth is undesired for hardening applications because only the surface should be heated. High frequencies are required in this case. Because of the high losses of semiconductor switches, the frequency can only be provided by resonant inverters. Expensive electron tubes are used as fast switches up to the second half of the 20th century. Inefficiency and maintenance are some of the drawbacks of electron tubes. In the 60th thyristors replaced the tubes in the lower frequency range more and more. One drawback of thyristors is their disability to turn off. They had to be commutated by the load. For higher frequencies than 10 kHz tubes were still used. The first MOSFET-resonant inverters for high frequencies had been built in the 70th. The advantages of the MOSFETs are the low switching- and driving losses but they have high ohmic resistances in the on state (high drain source voltage types). This is why the MOSFET is an unipolar device. So only electrons or holes are charge carriers. To reduce the voltage drop many MOSFETs had to be switched in parallel. These solutions were much expensive. IGBTs are bipolar devices and so the conduction behavior is better. The switching losses and the switching times are limiting the switching frequencies. Later types are able to work with switching frequencies up to 100 kHz. 400 kHz switching frequency is also possible with parallel connection and sequential switching. This has been demonstrated in this dissertation by experiments. The resonant inverter has a modular design and it is built of single invertermodules. Because of the modularity costs has decreased and the availability of the inverter system has increased. The inverter system can be adapted to the demanded power and frequency with this modular approach. A digital control unit (with CPLD) has been developed and tested successfully. The control provides the right gate signals even if the resonance frequency changes. New safety concepts are implemented for faults. Output power is controlled by switching freewheeling passes. The effect of the conductivity modulation of IGBTs and diodes is investigated here for hard- and soft switching cases. An existing behavior describing IGBT model is improved to consider the conductivity modulation effect. The switching behavior is compared to measurements and another model generated by a model editor.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Leistungselektronik und Antriebsregelung
Date Deposited: 28 Apr 2009 12:25
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13734
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Mutschler, Prof. Dr. Peter and Güldner, Prof. Dr. Henry
Refereed: 24 March 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1373
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