Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einsatz eines neuartigen Leistungshalbleiters für den Mittel- und Hochspannungsbereich und die sich daraus ergebenden Vor- und Nachteile analysiert. Hierbei liegt der Fokus auf der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer des untersuchten Leistungshalbleiters in verschiedenen Dreipunktumrichtertopologien. Der Stand der Technik für Umrichter hoher Leistung beruht auf der Verwendung von Leistungshalbleitermodulen. Zur Umsetzung einer bidirektionalen Stromführung werden IGBT und antiparallele Freilaufdiode zusammen in einem Modul verbaut. Die Auslegung dieser Module spiegelt dabei nicht den vollständigen Einsatzbereich wider, sodass besonders der generatorische Betrieb mit Einschränkungen im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit einhergeht.
Ein rückwärts leitfähiger IGBT vereint die Funktionalitäten von IGBT und Diode in einem Chip. Hieraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich der thermischen Belastung. Da eine Stromführung über die gesamte Periode der Grundfrequenz durch den gleichen Leistungshalbleiter möglich ist, sinkt der auftretende Temperaturhub gegenüber dem konventionellen IGBT/Dioden-Modul. Gleichzeitig wird durch die vergrößerte aktive Chipfläche die Wärmeabfuhr verbessert und die maximale Temperatur reduziert. Durch die monolithische Integration von IGBT und Diode in einem Chip entstehen auch Nachteile, da eine unabhängige Optimierung nicht möglich ist. So entsteht unter anderem eine Abhängigkeit des Durchlass- und Schaltverhaltens von der Gate-Emitter-Spannung, welche die Komplexität der Ansteuerung von rückwärts leitfähigen IGBTs erhöht.
Anhand von Messungen wird das Verhalten des untersuchten Leistungshalbleiters beschrieben und eine Methode der stromrichtungsabhängigen Ansteuerung zur Optimierung des elektrischen Verhaltens dargelegt. Die Leistungsfähigkeit von rückwärts leitfähigen IGBTs wird mithilfe von Simulationen für den Einsatz in verschiedenen Dreipunktumrichtertopologien, die in der Industrie weit verbreitet zur Anwendung kommen, analysiert. Der Faktor der Lebensdauer, der sich signifikant auf die Auslegung eines Umrichters auswirkt, wird, gestützt durch Simulationen, für die Applikation Windkraft betrachtet.
Die erzielten Resultate zeigen, dass die Auswirkungen auf das elektrische Verhalten von rückwärts leitfähigen IGBTs durch die Notwendigkeit einer stromrichtungsabhängigen Ansteuerung ohne signifikante Nachteile für das Gesamtsystem beherrscht werden können. Demgegenüber stehen erhöhte Durchlassverluste für kleine Lastströme, die abhängig von der Anwendung durch die Auslegung der Stromrichtungserkennung entstehen. Die Vorteile hinsichtlich der auftretenden Temperaturhübe und der maximalen Temperatur beeinflussen die zu erwartende Lebensdauer positiv. Gleichzeitig wird die Möglichkeit einer substanziellen Leistungssteigerung im Vergleich zum konventionellen IGBT/Dioden-Modul eröffnet. Eine Auslegung auf die gleiche Lebensdauer führt zu einer potentiellen Leistungssteigerung für die betrachtete Anwendung von bis zu 100%. Der Einsatz von rückwärts leitfähigen IGBTs stellt, unter der Berücksichtigung der erhöhten Komplexität bezüglich der Ansteuerung, eine vielversprechende Möglichkeit der Lebensdauer- und Leistungssteigerung auf der Grundlage des konventionellen Halbleitermaterials Silizium dar.