Forschungsschwerpunkte

Kompakte Umrichter mit hoher Leistungsdichte

Compact converters enabling high power density
© Fraunhofer IZM

Die neu entwickelte Halbleitergeneration auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis bietet auf Systemebene angesichts ihrer geringen Schaltverluste die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen von leistungselektronischen Systemen signifikant zu erhöhen. Dadurch kann die Baugröße der passiven Energiespeicher, v.a. der induktiven Bauteile, reduziert werden, weil nicht mehr so viel Energie zwischengespeichert werden muss. Der Fokus im ECPE-Lighthouse-Projekt "Industrial Demonstrator on System Level" liegt in einer zusätzlichen Erhöhung der Leistungsdichte durch Innovationen in der Filtertopologie und der Steuerung der Halbleiter.

Die Ansteuerung erfasst zeitgleich alle Messwerte des Systems und regelt die Tastgrade aller insgesamt sechs Halbbrücken. Innerhalb einer Halbbrücke sind beide Gate-Signale induktiv verkoppelt. Hierdurch wird totzeitloses Schalten zwischen oberem und unterem Halbleiter realisiert, wodurch die Schaltverluste weiter reduziert werden können. Durch die hohe Zeitgenauigkeit der von der Ansteuerung erzeugten Steuersignale (<500ps) kann die hierbei zwischen den Halbleiter-Gates umgeladene Ladungsmenge präzise eingestellt und Schwingungen mit der Gate-Kapazität vermieden werden. Die Betriebsparameter können der Ansteuerung über verschiedene Schnittstellen, (USB, CAN-Bus und Ethernet) übermittelt oder manuell am System eingestellt werden. Die Ansteuerung unterstützt entsprechend den elektrischen Lastbedingungen den Einsatz unterschiedlicher Betriebsmodi (DCM, CCM, Flat Top Modulation) während einer Netz- bzw. Drehfeldperiode. Dadurch kann die Spannungs-Zeit-Fläche der PFC- sowie der Motordrosseln und damit ihre Baugröße weiter reduziert werden. Die Größenreduzierung des Gleichtaktfilters wird mit der Verschiebung der CM-Spannung in den Zwischenkreis erreicht.