Mittelspannungselektronik

In der Gruppe Mittelspannungselektronik des Fraunhofer IISB bündeln sich Kompetenzen in den Bereichen Halbleiter, Topologien, Steuerung, thermisches Design und Systementwicklung.

Unsere Forschungsschwerpunkte:

• Inbetriebnahme und Versuche auf dem 200 m² großen Mittelspannungsprüfstand bis 30 kV und 1,6 MW
• Selbstentwickelter und aufgebauter 10 MW Modularer Multilevel-Umrichter mit flexibler Steuerung für spezielle Versuchsaufbauten mit bis zu 20 kV
• Topologieuntersuchungen und Realisierung von 2-Level-, 3-Level- und Multilevel-Umrichtern für erneuerbare Energien, Bahn- und Schiffsanwendungen
• Digtal Twins: Simulation und Verifizierung durch Messungen
• FPGA-Steuerung und SoC-Entwicklung: Auto-Code-Generierung für automatisierte Steuerung
• Thermoelektrische Charakterisierung und Modellierung von Halbleitern: Si, SiC und GaN bis zu 10 kV mit vier selbst entwickelten Doppelpuls-Messplätzen
• Direktkühlung von leistungselektronischen Systemen: Simulation und Messung von neuen mechatronischen Konzepten

Mit dem starken Zuwachs an leistungselektronischen Systemen in Stromnetzanwendungen gewinnen Multi-Level-Topologien an Bedeutung. Mit entsprechenden Umrichtern lassen sich die typischen Schwachstellen von Hochspannungshalbleitern in Bezug auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften überwinden.

Multilevel-Systeme sind daher die Schlüsseltechnologie für effiziente und kostengünstige leistungselektronische Systeme in Hoch- und Mittelspannungsanwendungen.

Multilevel-Systeme bieten auch eine bessere EMV und ermöglichen so die Reduktion der Baugröße und Kosten. Die geringen Netzrückwirkungen dieser Systeme und ein allgemein "netzverträgliches" Verhalten werden mit der vermehrten Einbindung von leistungselektronischen Systemen im elektrischen Energienetz immer wichtiger.

Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften werden Multilevel-Umrichter in vielen Bereichen der elektrischen Energiekonversion eingesetzt. Der Begriff "Multilevel" umfasst verschiedene Wandlertopologien. Je nach Anwendungsfall stellen unterschiedliche leistungselektronische Topologien die optimale Lösung dar. In den heutigen Stromnetzen haben sich dreistufige NPC-Wechselrichter für Solarwechselrichter kleiner und mittlerer Leistung bewährt. Eine neue Gerätegruppe, die auf dem modularen Multi-Level-Prinzip (MMC/M2C) basiert, hat sich in Hochleistungs- und Hochspannungsübertragungssysteme (HVDC, SVC) verbreitet.

Neben netzgekoppelten Systemen können auch viele andere Anwendungen mit Multilevel-Umrichtern abgedeckt werden, zum Beispiel Hochleistungsantriebe für Industrie-, Bahn- oder Schiffsysteme.

Für die Untersuchung von Leistungswandlern im Mittelspannungsbereich von 1 kV bis 30 kV ist ein hochspezialisierter Prüfraum mit isolierten Messgeräten und Sicherheitsvorkehrungen erforderlich. Dafür haben wir 2019 unser Prüffeld für Mittelspannung und Megawatt eingerichtet.

Das 220 m² große Mittelspannungsprüffeld am Fraunhofer IISB ermöglicht die Untersuchung von Mittelspannungskomponenten und -systemen durch die Bereitstellung von Gleich- und Wechselspannungsversorgung bis zu 30 kV und 3,2 MW. Eine 900-kW-Wasserkühlung bietet die Möglichkeit, das zu prüfende Gerät zu kühlen bzw. die Leistung des Geräts bei erhöhten Temperaturen gezielt zu prüfen. Darüber hinaus ermöglicht ein modularer Multilevel-Netzsimulator mit Power-Hardware-in-the-Loop-Konzept Tests unter realistischen Bedingungen mit beliebigen Netzanomalien wie Frequenzschwankungen oder Spannungseinbrüchen.

Entdecken Sie auf dem 360°-Rundgang unsere umfangreiche Testinfrastruktur.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Flyer.

Der herausragende Wirkungsgrad unseres 1000-V-450-kW-Bahnumrichters wird durch einen FEM-optimierten Kühlkörper, ein maßgeschneidertes Zwischenkreisdesign und parallel geschaltete SiC-Leistungsmodule erreicht. Die Rahmenbedingungen für Bahnanwendungen wie Isolationskoordination und Notabschaltung werden berücksichtigt. Weitere Hardware-in-the-Loop (HiL)-Testaufbauten mit flexibler Ansteuerung sind verfügbar.

Im Vergleich zu den klassischen zweistufigen Topologien ergeben sich bei mehrstufigen Systemen besondere Anforderungen an die Leistungsmodule. Dafür bieten mehrere dieser Topologien zusätzliche Freiheitsgrade.  

Um das gesamte Umrichtersystem zu optimieren, entwickelt und qualifiziert das Fraunhofer IISB neuartige spezifische Leistungsmodule. Diese Leistungsmodule sind die Grundlage, um das volle Potenzial moderner Leistungshalbleiter in Multilevel-Systemen auszuschöpfen. Durch den Einsatz speziell angepasster Verbindungstechniken wird die Lebensdauer des Systems im Vergleich zu state-of-the-art Modulen erhöht. Neue anwendungsspezifische Leistungsmodulkonzepte ermöglichen die Integration von Schutzmechanismen zur Verbesserung des Umrichterverhaltens und der Zuverlässigkeit im Falle von System- oder Geräteausfällen.

Unsere Arbeitsschwerpunkte sind:

• Innovative Kommunikationskonzepte für zellbasierte Multi-Level-Systeme
• Entwicklung von Steuerboards und dezentralen Kontrolllösungen
• Optimierte IGBT- und MOSFET-Treiber mit Spezialfunktionen für Multi-Level-Steuerung

Unsere Arbeitsschwerpunkte sind:

• Systemevaluierung und Topologie-Benchmarking
• Kundenspezifische Designs, einschließlich Konstruktion, Montage und Charakterisierung von Prototypen
• Technisches Benchmarking von Systemen zur Evaluation der aktuellen Marktsituation für neue Produktdefinitionen unserer Kunden
• Design optimierter Leistungsmodule für Multilevel-Wandler
• Rapid Prototyping für das Benchmarking neuer Technologieansätze, ausgerichtet nach der Zielanwendung
• Hochleistungsumrichter für Anwendungen mit Mittel- und Niederspannungsantrieben