Umrichter

Umrichter für mobile und stationäre Leistungselektroniksysteme

Die Forschungsgruppe Umrichter entwickelt Antriebsumrichter für Automobil-, Nutzfahrzeug- und Luftfahrtanwendungen. Unser Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung innovativer, hocheffizienter, kompakter und zuverlässiger Leistungselektronik für Antriebsumrichter in stationären und mobilen Einsatzbereichen. Dabei führen wir die komplette Forschung und Entwicklung, Prototypenrealisierung sowie Prüfung und Charakterisierung von elektrischen Antrieben inklusive Motorsteuerungssoftware vor Ort am Fraunhofer IISB durch.

Die mechatronische Integration der Umrichter-Leistungselektronik in die Nähe der elektrischen Maschine kann Kosten, Bauraum und EMV-Risiken reduzieren, jedoch auch die thermischen und mechanischen Belastungen erhöhen. Am Fraunhofer IISB beschäftigen wir uns deshalb mit der Entwicklung von Umrichter-Systemarchitekturen mit unterschiedlichen Integrationsgraden – vom eigenständigen Gehäuse, bis hin zur vollintegrierten Umrichter-Leistungselektronik.

Kundenspezifische Prototypen

Die Entwicklung effizienter, hochintegrierter und zuverlässiger elektrischer Antriebssysteme spielt eine Schlüsselrolle für die Elektrifizierung der individuellen Anwendungsbereiche.

Bild links: Achsantriebseinheit für Kraftfahrzeuge mit integriertem Antriebsumrichter

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

3-Level-Topologien

3-Level-Umrichtertopologien bieten entscheidendes Potential für die Verbesserung der Effizienz elektrischer Antriebssysteme in verschiedenen Anwendungsbereichen.

Zur Pressemitteilung

© André Müller / Fraunhofer IISB

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) Leistungsmodul-Charakterisierung

Umrichter für Hochdrehzahl-Anwendungen

Umrichter für Hochdrehzahl-Anwendungen stellen besondere Anforderungen an Schaltfrequenz und Motorregelung.

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

Software zur Motorsteuerung

Der sichere und effiziente Betrieb von elektrischen Antriebssystemen erfordert die Entwicklung von anwendungsspezifischer Motorsteuerungssoftware.

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

Studien zu Umrichtersystemen

Wir bieten eine umfangreiche Auswahl an Messgeräten und Prüfständen sowie fundierte Expertise in verschiedenen Simulationstools, um tiefgehende Untersuchungen zu Antriebsumrichter-typischen Fragestellungen durchzuführen.

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.)

Intelligente Schaltstellen für automatisierte Fahrzeugstromversorgungssysteme

Baukasten für intelligente Stromverteilungsknoten für Bordstromversorgungssysteme hochautomatisierter Fahrzeuge.

HiBord DC/DC mit DLC-Speicher

© Fraunhofer IISB
© Fraunhofer IISB
Hardware-Module des Baukastens für intelligente Schaltstellen
© Fraunhofer IISB
Blockschaltbild des HiBord DC/DC mit DLC-Speicher

In hochautomatisierten Fahrzeugen ab SAE Level 3 gibt es keinen Fahrer als Rückfallebene bei Stromausfällen.

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekt HiBord wurden neue Bordnetz-Topologien untersucht, die Störungen im Stromversorgungssystem ohne volle Redundanz bewältigen können

  • Steuerung des Energieflusses
  • Isolierung von Fehlern
  • Rekonfiguration des Netzes
  • Lokale Reflexe und globale Entscheidungen

 

Vorteile:

  • Logikmodul mit μC und FPGA für erweiterte Überwachungsalgorithmen und schnelle Fehlerreaktionen
  • Skalierbarkeit durch Verwendung standardisierter Schnittstellen
  • Module ausgestattet mit Sensoren für Strom, Spannung, Temperatur
  • Verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten (CAN, Automotive Ethernet, ...)
  • Skalierbare Gehäuse- und Kühllösung durch standardisierte Modulabmessungen und Stecker

 

Module:

Es gibt eine Vielzahl an verfügbaren Modulen

  • Uni- und bi-direktionale Schaltmodule (12V oder 48V)
  • 48V/12V DC/DC-Wandler-Modul
  • Doppelschichtkondensator-Modul
  • Aktive und passive DLC-Vorlademodule
  • Logikmodul mit leistungsfähigem FPGA und µC

… und mehr, je nach Projektanforderung

 

Anwendungsbeispiel

Mit dem Baukasten wurde eine Kombination aus einem On-Board DC/DC-Wandler und einem DLC realisiert und ist eine Schlüsselkomponente des HiBord-Stromversorgungssystems. Das System verknüpft einen DC/DC-Wandler mit einem Transientenspeicher und kann somit eine 12V-Batterie in Ausfallszenarien ersetzen

Testmöglichkeiten für Elektroantriebe

Komplette Fahrzeugtests und -charakterisierungen können in unserem temperatursteuerbaren (-25°C/+50°C) Allrad-Rollenprüfstand durchgeführt werden.

© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Motorprüfstand am Fraunhofer IISB

Für die Charakterisierung von Elektromotoren und kompletten Antriebssystemen stehen am Fraunhofer IISB verschiedene Motorenprüfstände bis 300 kW und 1000 VDC-Spannungsversorgung zur Verfügung.   

Publikationen


Brochures

 

Flyer & Broschüren