APEx

Leistungselektronik für den Netzausbau – Neuartige Aufbau- und Prüftechnik für extrem langlebige Hochspannungsmodule

© Fraunhofer IISB
Teststruktur zur Teilentladungsmessung
© Fraunhofer IISB
Großkarte mit Teststrukturen
© Fraunhofer IISB
GR-Simulation - Verteilung des elektrischen Potentials zwischen Lastkontakt, Erdung und einem lasttragenden Guardring am Rand des Metallisierungspads

Im Rahmen des Förderprojektes APExAufbau und Prüftechnik für extrem langlebige Hochspannungsmodule – erfolgen am Fraunhofer IISB Untersuchungen an keramischen Isoliersubstraten, um mittels optimiertem Moduldesign und innovativer Beschichtungstechnologie eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit von Leistungsmodulen zu erreichen.

Der stetig zunehmende Trend leistungselektronische Systeme auch in neuartigen Mittel- und Hochspannungsanwendungen (z.B. HGÜ, FACTS) zur effizienteren Energieübertragung zu verwenden, spiegelt sich nicht zuletzt auch in dem aktuellen Netzausbauplan der Bundesregierung wieder. Die neuen Anwendungen in der Energietechnik stellen jedoch deutlich höhere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit und die Zuverlässigkeit von Standard-Leistungsmodulen. Eine zentrale Komponente dieser Module sind die keramischen DCB-Isoliersubstrate (DCB: „Direct Copper Bonding“), auf denen sich die Leiterbahnen und die elektronischen Leistungsbauelemente befinden.

Die naheliegende Lösung einer einfachen Skalierung verfügbarer 6,5 kV-Isoliersubstrate auf höhere Spannungsklassen ist technisch nicht wünschenswert. Zum einen würden sich die Kosten proportional erhöhen und zum anderen verschlechtert sich die thermische Anbindung der Halbleiter durch Verwendung dickerer Isolationskeramiken, was sich ebenfalls negativ auf die Systemkosten auswirkt.

Aus diesem Grund liegt ein Schwerpunkt des Vorhabens auf der Erhöhung der Spannungsfestigkeit der heute verfügbaren DCB-Isolationskeramiken auf 20 kV mit Hilfe eines optimierten Moduldesigns. Neben den Materialkennwerten als Einflussfaktor auf die Spannungsfestigkeit von DCB-Substraten spielt zudem die elektrische Feldverteilung im und um das Isoliersubstrat eine signifikante Rolle. Insbesondere an den Randstrukturen der Substrate, kommt es an den geätzten Kupferflanken zu Feldinhomogenitäten und damit zu lokalen Feldüberhöhungen. Der Betrag dieser Überhöhungen hängt natürlich einerseits von der anliegenden Spannung und andererseits auch stark von der geometrischen Gestaltung der Randstruktur ab und ist damit relativ kostenneutral beeinflussbar.

Am Fraunhofer IISB werden dazu grundlegende Betrachtungen der Feldstärkeverteilung mittels Feldstärkesimulationen durchgeführt. Einflüsse der Geometrie und unterschiedlicher Materialparameter werden untersucht. Wichtig ist jedoch auch eine Überprüfung des Simulationswerkzeuges sowie der verwendeten Modelle auf Eignung. Mitunter grobe Verfälschungen der Feldstärke aufgrund falsch gewählter Gitter werden so ausgeschlossen.

Mittels auf die Simulation basierender Teststrukturen kann der Einfluss der geometrischen Randstrukturgestaltung der DCBs durch Teilentladungsmessungen bestätigt und optimiert werden. Neben der messtechnischen Erfassung ist es am Fraunhofer IISB ebenfalls möglich den genauen Entstehungsort der Teilentladung visuell mittels UV-Kamera-Systemen zu erfassen.

Speziell bei Mittel- und Hochspannungsanwendungen zur Energieübertragung sind die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Leistungsmodulen von größter Bedeutung. Im Rahmen von APEx werden daher am Fraunhofer IISB Untersuchungen zu an- und organischen Beschichtungssystemen durchgeführt, deren Ziel die Erhöhung der mechanischen Widerstandsfähigkeit der DCBs durch Verfüllen von Mikroanrissen und Isoliergräben ist. Hierzu werden modulnahe Aufbauten unter zur Hilfenahme von Temperaturschockschränken und Klimaschränken beschleunigt gealtert und der Einfluss der Beschichtungen auf die Temperaturwechselbeständigkeit bzw. Lagerfähigkeit der DCBs untersucht. Zusätzlich qualifizieren Computersimulationen die verschiedenen Konzepte bezüglich der zu erwartenden thermomechanischen Stressverteilung diverser Aufbaukonzepte.

 

Die neu erschlossenen Erkenntnisse aus APEx werden bereits im aktuell laufenden EnCNEnergie Campus Nürnberg Projekt umgesetzt, bei dem unter anderem neuartige Aufbaukonzepte und Moduldesigns für Mittelspannungsmodule in MMC-Applikationen untersucht werden. Neben der Feldstärkeverteilung wird zudem das stationäre und transiente thermische Verhalten der Leistungsmodule abhängig vom Moduldesign betrachtet. Hierzu werden sowohl rechnergestützte Simulationen sowie thermische Widerstandsmessungen und Power Cycling Tests an verschiedenen Aufbaukonzepten am Fraunhofer IISB durchgeführt.