Umrichter

Entwicklung und Prototypfertigung von anwendungsspezifischer Umrichter-Leistungselektronik

Elektronische Bauelemente auf Basis von Wide-Bandgap-Halbleitern (WBG), wie SiC- und GaN-Transistoren, ermöglichen Umrichtersysteme mit herausragenden Wirkungsgraden, Leistungsdichten und Schaltfrequenzen, die den aktuellen Stand der Technik deutlich übertreffen. Um in Automobil- und Luftfahrtanwendungen die Kombination aus höchsten Ausgangsleistungen und -stromstärken mit maximierten Schaltgeschwindigkeiten (> 20 kV/µs) zu erreichen, ist ein speziell abgestimmtes Design der Kommutierungszelle, des Leistungsmoduls und des Gate-Drives notwendig. Am Fraunhofer IISB entwickeln wir maßgeschneiderte SiC- und GaN-Wechselrichter anhand elektrischer und thermischer Simulationen, ergänzt durch experimentelle Versuchsaufbauten.

• Spannungsbereich für typische Automotive-Anwendungen: 48 V bis 850 V (und darüber hinaus)
• Ausgangsleistung bis zu 1 MW
• Fokus auf Siliziumkarbid (SiC) und Galiumnitrid (GaN) basierten Wechselrichtersystemen
• Expertise über eine Vielzahl von Umrichter-Topologien (Multilevel, Multiphase, etc.)
• Anwendungsorientierte Motorsteuerungssoftwareentwicklung für verschiedene elektrische Maschinentypen
• Eigene Testmöglichkeiten mit mehreren Motorenprüfständen und einem Fahrzeugprüfstand

Anwendungsbereiche: Traktion, Brennstoffzellen-Luftzufuhr, elektrische Turbolader, hochintegrierte Antriebe

Entwurf, Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung von 3-Level-Umrichtersystemen

Realisierung von Technologiedemonstratoren für verschiedene 3-Level-Topologien:

• NPC (Neutral Point Clamped) Galliumnitrid-basierter 800 V-Umrichter
• T-Type Siliziumkarbid (SiC)-Umrichter
• ANPC (Active Neutral Point Clamped) Leistungsmodulentwicklung und -charakterisierung

Wir entwickeln SiC- oder GaN-basierte Wechselrichter inklusive Motorsteuerungssoftware für Hochgeschwindigkeitsmotoren (z.B. Kompressoren, Brennstoffzellen-Luftverdichter oder elektrische Turbolader). Diese erfordern höchste Ausgangsfrequenzen am Wechselrichter und damit einhergehend auch hohe Schaltfrequenzen, um zusätzliche Verluste und Drehmomentverschleppung in der Maschine zu vermeiden. Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG) sind für den Einsatz in diesen Anwendungen besonders geeignet.

Typische Anforderungen:

• Nominale DC-Zwischenkreisspannung: 450 V oder 850 V
• Ausgangsleistung: 10 bis 80 kW
• 2- oder 3-Level Topologien
• Max. Schaltfrequenz: 80-100 kHz
• Sensorlose Motorsteuerung

Das Fraunhofer IISB kooperiert mit dem Labor für Regelungstechnik der Fakultät Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik (efi) an der Technischen Hochschule Nürnberg bei der Entwicklung und Analyse von modularen Regelungsalgorithmen, die unter anderem folgende Maschinentypen betreffen:

• Permanenterregte Synchronmaschinen (Permanent Magnet Synchronous Motors, PMSM)
• Asynchronmaschinen (Induction Motors, IM)
• Fremderregte Synchronmaschinen (Electrically Excited Synchronous Motor, EESM)
• Bürstenlose Gleichstromaschinen (Brushless DC, BLDC)
• Mehrphasige und 3-Level Topologien

Basierend auf unseren F&E-Aktivitäten bieten wir folgende Lösungen:

• Konventionelle Antriebsregelungsverfahren (z.B. feldorientierte Regelung)
• Adaptive Regelung von Antriebssystemen (z.B. iterativ lernende Regelung)
• Sensorlose Regelung und hochfrequente Regelungsalgorithmen, z.B. für Hochgeschwindigkeitsantriebe (elektrischer Turbolader, Brennstoffzellen-Luftverdichter etc.)
• Implementierung und Erprobung auf selbst entwickelter Steuerboard-Hardware
• Test der entwickelten Antriebssteuerungen auf dem hauseigenen Motorprüfstand

Simulative und experimentelle Untersuchungen zu antriebsumrichter-spezifischen Fragestellungen

Forschungsprojekte bieten den idealen Rahmen für die Kooperation bei neuen Ideen und Entwicklungen. Typische Themen sind:

• Bauraum- und Integrationsstudien
• Umrichter-Topologie- oder Potentialstudien
• Leistungsmodul-Charakteriserung
• Simulative oder experimentelle thermische Untersuchungen (z.B. Entwärmung von Leistungsmodulen, Zwischenkreiskondensatoren, etc.)