Industrielle Leistungselektronik

Elektrische Energie wird über das zentrale Stromnetz klassischerweise mit Wechselstrom (AC) über Hochspannungsfreileitungen übertragen. Der steigende Bedarf an Transportkapazitäten für elektrische Energie über große Entfernungen weltweit stellt die industrielle Leistungselektronik vor neue Herausforderungen. Zudem werden in das Stromnetz vermehrt erneuerbare Energiequellen eingebunden, die elektrische Energie häufig in Gleichstrom liefern. Herkömmliche Hochspannungsfreileitungen können den neuen Anforderungen daher nur bedingt gerecht werden.

Als Ergänzung des Wechselstromnetzes wird die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) eingesetzt. Die HGÜ ist bei Langstreckenübertragung deutlich verlustärmer und darum in diesem Einsatzbereich wirtschaftlicher als eine AC-Übertragung. Der Fokus am Fraunhofer IISB liegt auf der Standardisierung von Komponenten in Modularen Multilevel-Konvertern (MMC). Diese halbleiterbasierten MMC-Stationen sind an den Endpunkten der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung die wichtigsten Bestandteile dieser Verbindungen. Hier entstehen bei der herkömmlichen Wechselstrom-Übertragung Umladeverluste, die durch MMC-Lösungen eingespart werden. Möglich ist das durch die Einführung von kaskadierten Halbleitern in höchste Energieklassen, sodass DC Strom flexibel erzeugt und ausgeregelt werden kann. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickeln wir alle Komponenten der MMC-Submodule von Treiberschaltungen über Schutzkonzepte und Schlüsselkomponenten bis hin zum Turm-Design für die MMC-Stationen. Ergänzend werden individuelle Ausfallschutzmechanismen evaluiert, getestet und bewertet.

Als Kooperationspartner können Sie von uns erwarten:

• Hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit auf Komponenten- und Systemebene
• Aktuellste funktionale Ansätze, insbesondere hinsichtlich der Betriebssicherheit
• Langjährige Erfahrung durch Projekte mit mehreren internationalen Kooperationspartnern

Ein optimiertes Systemdesign schließt mechanische, elektrische und thermische Aspekte mit ein. Das ist unerlässlich, um den hohen und oft widersprüchlichen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Systemkosten gerecht zu werden. Für eine qualifizierte ingenieurstechnische Bewertung der Leistungsfähigkeit im Zuge des Designprozesses sind Prototypen zwingend erforderlich. Unser Know-How umfasst die seriennahe Konstruktionen auf Basis verfügbarer Industriekomponenten. Des Weiteren werden Proof-of-Concept-Studien mit experimentellen Baugruppen und Montagetechnologien, wie die experimentelle Überprüfung  explosionsgeschützter Gehäusevarianten, durchgeführt. Die Kooperation mit den Technologieexperten am Fraunhofer IISB ermöglicht Prototyping-Dienstleistungen ab Bare-Die-Level.

Die Ansteuerung von Leistungshalbleitern erfordert detaillierte Kenntnisse über den Leistungskreis, insbesondere bei Parallelschaltung moderner Hochleistungs-Halbleiter. Hochdynamische Signale müssen gemessen und ausgewertet werden und auch die Messung von Hochspannung stellt eine Herausforderung dar. Wir bieten die Entwicklung und den Aufbau von Steuer- und Überwachungselektronik an, die für die Ansteuerung von Hochleistungs-Schlüsselkomponenten sorgfältig auf die angedachte Funktion abgestimmt wird. Basierend auf dem Health-Monitoring entwickeln wir Sicherheits- und Schutzelemente für Hochspannungsnetze sowie Strategien für das Handling von Sonder-Lastfällen, Überschlägen und Redundanzen bei Ausfällen.

Wir führen Design-Reviews in allen Phasen der Entwicklung durch. Dazu gehört eine Gesamtbetrachtung sowie die Analyse einzelner Teilkomponenten. Die Analyse von Feldausfällen und die Überprüfung möglicher Ausfallszenarien basiert auf jahrzehntelanger Erfahrung im Design von Leistungselektroniksystemen am Fraunhofer IISB. Dafür führen wir Messungen in Ihren Zielanwendungen vor Ort durch. Im Rahmen der Systemkontextanalyse berücksichtigen wir auch zugehörige Peripherie und anwendungsspezifische Charakteristika.

Charakterisierungsmessungen sind in allen Teilbereichen der industriellen Leistungselektronik zum Absichern eines sinnvollen Einsatzes im Feld relevant. Für die Betriebsoptimierung industrieller Kunden haben sich folgende Schritte als zielführend erwiesen:

• Analyse von Fehlerszenarien mit Hochgeschwindigkeitskamerasystem und Stromsensoren bis >1 MA
• Thermische Charakterisierung durch Lock-in-Thermografie, Thermostate und Klimakammern von -60°C bis 300°C
• Lebensdauer- und Zuverlässigkeitstests anhand von aktiven und passiven Temperaturwechseln, HALT, elektrischer Belastung und Vibration
• Teilentladungsmessungen nach IEC 60270
• Statische und dynamische Charakterisierung von Leistungshalbleitern an halbautomatischen Prüfständen zur feinmaschigen und reproduzierbaren Charakterisierung des Schaltverhaltens über den gesamten Betriebsbereich (bis 6500 V und >10 kA)