Leistungselektronik für Mittelspannungsanwendungen

Aufgrund des hohen Bandabstandes und der hohen Durchbruchfeldstärke von Siliziumkarbid (SiC) können mit diesem Material Leistungshalbleiter mit besonders hohen Sperrspannungen, typischerweise größer 10 kV, gefertigt werden. Diese Bauelemente eröffnen neue Anwendungsgebiete für  Leistungselektronik in der Mittelspannung. Durch die geringen Schaltverluste bei gleichzeitig niedrigen Durchlassverlusten der Bauelemente können um den Faktor 10 höhere Schaltfrequenzen als bei vergleichbaren Schaltungen mit in Serie geschalteten Si-IGBTs erzielt werden. Dadurch reduzieren sich der Schaltungsaufwand und die Größe von induktiven Bauteilen wie Drosselspulen und Transformatoren erheblich.

Im Mittelspannungsbereich können mit SiC-Transistoren kompakte und effiziente leistungselektronische Umrichter mit und ohne galvanische Trennung aufgebaut werden. Durch die hohen möglichen Taktfrequenzen eröffnen sich neue Möglichkeiten wie z.B. für Schaltungen mit Mittelfrequenztransformatoren oder zur Kompensation von Oberwellen bis in den kHz-Bereich. Ein- und dreiphasige Wechselrichter werden in Zukunft ohne Transformator direkt an der Mittelspannung betrieben werden können, wodurch sich vor allem für erneuerbare Energie und Stromnetze neue Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Auch in mobilen Applikationen, wie beispielsweise der Bahn, spielen SiC-Transistoren eine bedeutende Rolle, wenn es um Gewichts- und Bauraumeinsparung geht.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Leistungselektronik für Mittelspannungs­anwendungen« umfassen:

Charakterisierung von SiC-Dioden und Transistoren bis 20 kV

Tests im Spannungsbereich von 100 V - 20 kV

© Fraunhofer ISE
Prototyp eines lateralen GaN-Transistors.

Aktive Halbleiterschalter sind das Kernelement in jedem leistungselektronischen Umrichter. Sie bestimmen direkt das Systemverhalten, den Wirkungsgrad, die Schaltfrequenz und das thermische Management. Die genaue Kenntnis des statischen und dynamischen Verhaltens ist daher unbedingt für die optimale Auslegung eines Systems nötig. Gerade bei neu erhältlichen Bauelementen sind die Datenblattwerte oft noch nicht ausführlich vorhanden oder ungenau.

In unseren Laboren können wir Leistungstransistoren im Spannungsbereich von 100 V bis 20 kV charakterisieren. Unsere Teststände können dafür auf alle üblichen Gehäuseformen für diskrete Transistoren von FlipChip- über SMD- nach Through-Hole-Gehäusen angepasst werden. Spezielle Leistungshalbleitermodule können ebenfalls vermessen werden. Zum Aufnehmen der Kennlinien setzen wir modernste breitbandige Strom- und Spannungssensoren ein.

Vergleichende Topologieuntersuchungen

© Fraunhofer ISE
Simulation und Auswertung einer Topologieuntersuchung.

Zur bestmöglichen Auslegung einer leistungselektronischen Schaltung gehört die Wahl der für die spezifische Anwendung optimalen Topologie. Mit Hilfe modernster Software, wie PLECS®, PSpice® oder FloTHERM®, kann hierfür schon ein großer Teil der Arbeit erledigt werden, bevor die erste Hardwarekomponente bereitstehen muss.

Die Kriterien, die an eine Topologie gestellt werden, sind meist sehr vielseitig und es gilt hinsichtlich geeigneter technischer und ökonomischer Gesichtspunkte (Wirkungsgrad, Leistungsdichte, Bauteilkosten etc.) abzuwägen. Welche Gewichtung sinnvoll ist, hängt von der Anwendung ab.

Die Mitarbeiter des Fraunhofer ISE haben Erfahrung in der detaillierten Untersuchung existierender Topologien, wie auch in der Simulation und dem Nachweis der Funktionstüchtigkeit neuartiger Topologien. Unser Spektrum umfasst dabei alle Arten der Strom- / Spannungswandlung: DC/DC, DC/AC, AC/DC und AC/AC.

Entwicklung hocheffizienter, kompakter Leistungselektronik für die Mittelspannung

© Fraunhofer ISE
Mittelspannungsumrichter.

Durch die Energiewende wird in Zukunft auch der Bedarf an Umrichtern im Mittelspannungsbereich zunehmen. Nicht nur in der Windkraft sondern auch in großen Photovoltaik-Kraftwerken mit Leistungen über 100 MVA und sehr hohen Flächenausdehnungen ist es sinnvoll, die Energie mittels leistungselektronischer Wandler auf Mittelspannungsebene zu sammeln, um die Leitungsverluste gering zu halten.

Bauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) mit Sperrspannungen größer 10 kV eignen sich optimal für den Einsatz in der Leistungselektronik für die Mittelspannung. SiC-Transistoren in diesem Spannungsbereich sind inzwischen verfügbar und werden von uns für Umrichterentwicklungen genutzt. Im Vergleich zu Silizium-(Si)-Transistoren können damit bei gleicher Umrichterspannung erheblich einfachere Topologien verwendet werden.

Die hohen Sperrspannungen sowie die extrem hohen Schaltgeschwindigkeiten dieser neuen Bauelemente bergen aber auch neue Herausforderungen, für die wir Lösungen entwickeln.
Weitere Anwendungsgebiete sind der Einsatz von Umrichtern zur Netzstabilisierung sowie die Bahntechnik.