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Multikommutation in modularen SiC-Umrichtern: Einfluss auf Überspannung, Schwingungen und Abschaltverluste
In modularen SiC-Umrichtern können mehrere Leistungsmodule gleichzeitig schalten. Unsere Messungen zeigen, wann daraus zusätzlicher elektrischer Stress entsteht und wie ein geeignetes Layout diesen Effekt deutlich reduzieren kann.
Fig 1. Untersuchtes Zwei-Phasen-SiC-Submodul mit gemeinsamem Zwischenkreis und kompakter, niederinduktiver Busbar-Struktur.
In unseren Messungen führte Multikommutation im Vollmodul zu einer um durchschnittlich 8 Prozent höheren Abschaltenergie gegenüber Einzelkommutation. Gleichzeitig zeigt das untersuchte Zwei-Phasen-Submodul, dass ein geeignetes Layout die Kopplung zwischen den Phasen deutlich reduzieren kann.
Was ist Multikommutation?
Der entscheidende Punkt ist nicht nur das gleichzeitige Schalten selbst. Kritisch wird Multikommutation, wenn sich die Kommutierungsströme mehrerer Module gemeinsame Strompfade teilen. Dadurch steigt die effektive parasitäre Induktivität im Kommutierungskreis. Genau diese zusätzliche Induktivität verursacht höhere Spannungsspitzen, stärkere Schwingungen und zusätzliche Schaltverluste.
Warum ist Multikommutation bei SiC-MOSFETs besonders relevant?
Die schnelle Schaltgeschwindigkeit macht SiC-Umrichter aber auch empfindlicher gegenüber parasitären Effekten. Schon kleine Induktivitäten im Kommutierungspfad können bei hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten deutliche Überspannungen und Oszillationen erzeugen. Multikommutation verstärkt diesen Effekt, weil mehrere Module gleichzeitig Strom in gemeinsamen Pfaden umlenken.
Für modulare Windenergie-Umrichter ist das besonders relevant: Dort werden mehrere Wechselrichterphasen parallel betrieben und über einen gemeinsamen Zwischenkreis verbunden. Dadurch entstehen viele mögliche Schaltkombinationen, einschließlich synchroner oder nahezu synchroner Schaltvorgänge.
Was passiert im Kommutierungskreis?
Bei Multikommutation teilen sich mehrere Module Teile dieses Kommutierungspfads. Dadurch sieht jedes Modul nicht nur seine lokale, optimierte Kommutierungsschleife, sondern zusätzlich einen gemeinsamen Anteil des Zwischenkreises. Die effektive Kommutierungskreisinduktivität steigt.
Daraus ergeben sich vier zentrale Designregeln:
Nicht nur lokale Kommutierungsschleifen optimieren
Ein sehr gut optimiertes Einzelmodul garantiert noch kein robustes Verhalten unter Multikommutation. Gemeinsame Strompfade im System können zusätzliche Induktivität wirksam machen.
Zwischenkreiskondensatoren symmetrisch und niederinduktiv integrieren
Die Anordnung, Anzahl und Kontaktierung der DC-Link-Kondensatoren beeinflusst die Kommutierungskreisinduktivität direkt.
Phasenplatzierung und Kopplungspfade früh berücksichtigen
Die räumliche Anordnung der Phasen entscheidet darüber, wie stark sich gleichzeitige Schaltvorgänge gegenseitig beeinflussen.
Repräsentative Mehrphasenmessungen einplanen
Vereinfachte Testaufbauten sind wertvoll, ersetzen aber nicht die Bewertung des vollständigen Umrichtermoduls unter realistischen Schaltbedingungen.
Wie wurde Multikommutation untersucht?
Eine direkte Messung erfordert den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Phasen – das ist aufwändig. Eine praktikable Alternative: die gezielte Erhöhung der Kommutierungskreisinduktivität an einem einzelnen Modul, etwa durch Reduzierung der aktiven Zwischenkreiskondensatoren.
Am vereinfachten Halbmodul-Aufbau zeigt sich, dass diese emulierte Multikommutation das Schaltverhalten der echten synchronen Multikommutation gut nachbildet. Die Überspannungsamplitude und das Schwingverhalten sind vergleichbar. Das bestätigt: Multikommutation lässt sich auch in SiC-Umrichtern durch gezielte Erhöhung der Kommutierungskreisinduktivität simulieren – die effektive Kommutierungskreisinduktivität ist der dominante Mechanismus.
Allerdings stößt dieser Ansatz bei modernen SiC-Umrichtern an eine praktische Grenze: Systeme, die bereits auf minimale Kommutierungskreisinduktivität ausgelegt sind, lassen kaum Spielraum, diese gezielt zu erhöhen – ohne den Aufbau grundlegend zu verändern. Das Entfernen von Kondensatoren reicht dann nicht mehr aus, um die für eine vollständige Emulation nötige Induktivitätserhöhung zu erreichen, wie die Messungen am Vollmodul zeigen.
Fig 2. zeigt den Vergleich von Einzel- und Mehrphasenkommutation im Halbmodul – die Wellenformen sind nahezu deckungsgleich.
Was zeigen die Messungen am vollständigen Umrichtersubmodul?
Am vollständigen Zwei-Phasen-Submodul mit je zwei parallel geschalteten SiC-Modulen pro Phase ergibt sich ein überraschend robustes Bild: Schalten beide Phasen gleichzeitig, unterscheiden sich Überspannung und Schwingverhalten kaum vom Einzelphasenbetrieb.
Der Grund liegt im Layout. Durch die gegenüberliegende Anordnung der Leistungsmodule beiderseits des Zwischenkreises und die symmetrische Kondensatorintegration bleibt die Phasen-zu-Phasen-Kopplung gering. Jede Phase verhält sich weitgehend unabhängig von der anderen. Figur 1 zeigt den kompakten Aufbau des untersuchten Submodul.
Fig 3. zeigt den paarweisen Vergleich der drei Schaltfälle am Halbmodul-Aufbau
Take-away
Multikommutation kann im Halbmodul durch eine gezielte Erhöhung der Kommutierungskreisinduktivität nachgebildet bis zu einem gewissen Grad nachgebildet werden. Das ist hilfreich, um kritische Schaltzustände im Labor zu untersuchen, ohne sofort ein vollständiges Mehrphasensystem betreiben zu müssen.
Was bedeutet das für das Design modularer SiC-Umrichter?
Die Ergebnisse zeigen, dass die Optimierung einzelner SiC-Leistungsmodule allein nicht ausreicht. In modularen Umrichtern muss das gesamte System betrachtet werden: Leistungsmodule, Zwischenkreiskondensatoren, Busbar, mechanische Integration und Phasenanordnung beeinflussen gemeinsam die effektive Kommutierungskreisinduktivität.
Für die Entwicklung modularer SiC-Umrichter bedeutet das: Multikommutation muss nicht zwangsläufig zu einem kritischen Betriebsproblem werden. Sie muss aber von Anfang an als Systemeffekt berücksichtigt werden.
Fazit
Multikommutation ist ein relevanter Effekt in modularen SiC-Umrichtern. Wenn mehrere Leistungsmodule gleichzeitig über einen gemeinsamen Zwischenkreis schalten, kann die effektive Kommutierungskreisinduktivität steigen. Dadurch erhöhen sich Überspannungen, Oszillationen und Abschaltverluste.
Die Messungen zeigen zugleich, dass ein geeignetes Systemlayout diese Effekte deutlich reduzieren kann. Das untersuchte Zwei-Phasen-Submodul weist eine geringe Phasen-zu-Phasen-Kopplung auf und zeigt auch bei gleichzeitiger Schaltung beider Phasen ein robustes Verhalten.
Damit lautet die zentrale Designaussage:
Modulare SiC-Umrichter sollten nicht nur auf Modulebene, sondern konsequent auf Systemebene optimiert werden. Erst das Zusammenspiel aus Busbar, Zwischenkreis, Phasenplatzierung und parasitärer Induktivität entscheidet über das reale Schaltverhalten.
Was ist Multikommutation?
Multikommutation bezeichnet das gleichzeitige oder nahezu gleichzeitige Schalten mehrerer Leistungshalbleiter in einem gemeinsamen Zwischenkreissystem. Dabei können sich Kommutierungsströme gemeinsame Strompfade teilen, wodurch die effektive Kommutierungskreisinduktivität steigt.
Warum ist Multikommutation bei SiC-MOSFETs wichtig?
SiC-MOSFETs schalten sehr schnell. Dadurch reagieren sie empfindlich auf parasitäre Induktivitäten im Kommutierungspfad. Multikommutation kann diese wirksame Induktivität erhöhen und dadurch Überspannungen, Schwingungen und Schaltverluste verstärken.
Welche Rolle spielt die Kommutierungskreisinduktivität?
Die Kommutierungskreisinduktivität bestimmt maßgeblich, wie stark Spannungsspitzen beim schnellen Abschalten ausfallen. Eine höhere effektive Induktivität führt typischerweise zu höheren Überspannungen und stärkerem Ringing.
Kann Multikommutation im Labor emuliert werden?
Ja. In vereinfachten Testaufbauten kann Multikommutation durch eine gezielte Erhöhung der Kommutierungskreisinduktivität emuliert werden, zum Beispiel durch eine veränderte Zwischenkreiskondensator-Konfiguration. Im Halbmodul ließ sich das reale Multikommutationsverhalten dadurch gut nachbilden.
Wie lässt sich Multikommutation im Design reduzieren
Wichtig sind ein niederinduktives Layout, eine kompakte und symmetrische Integration der Zwischenkreiskondensatoren, kurze Strompfade und eine geeignete räumliche Anordnung der Phasen. Entscheidend ist die Optimierung des vollständigen Systems, nicht nur des einzelnen Leistungsmoduls.
Acknowledgment
This work was supported by the European Union’s Horizon Europe research and innovation programme under grant agreement No. 101172657, project MoWiLife (Condition Monitoring and Wide Bandgap Power Electronics – Leading Innovations for the European Energy Sector).
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Dieser Beitrag basiert auf der Veröffentlichung:
Publication: M. Wegner, J. Fuhrmann, T.-M. Plötz and H.-G. Eckel, “Neglected Effects of Multicommutation in 2-Level SiC Inverters: Insights into Switching Behavior”, presented at the Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM), Nuremberg, Jun. 2026. doi: 10.5281/zenodo.20609836.
Open-Acces: https://zenodo.org/records/20609836