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16-11-2023 | Offhighway | Nachricht | News

Gleichspannungswandler für Offhighway-Bereich entwickelt

Author: Christiane Köllner

3:30 min reading time

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Im Projekt Musicel ist ein Gleichspannungswandler auf Basis von Siliziumkarbid-Halbleitern realisiert worden. Er soll hohe Effizienz für den Einsatz in elektrischen Land- und Baumaschinen erreichen. 

Das Projekt Musicel erforscht und erprobt innovative Komponenten und Methoden für eine effiziente, lokal emissionslose Energieversorgung von Land- und Baumaschinen. Herzstück des Versorgungssystems ist ein mobiler und kompakter Hochleistungs-Gleichspannungswandler, der in das Fahrzeug integriert wird.

Durch den Einsatz von Siliziumkarbid (SiC)-Wide-Band-Gap-Halbleitern sollen die Projektpartner eine Kombination aus einer Ausgangsleistung von 250 kW und einer Schaltfrequenz von 50 kHz erreicht haben. Der Wirkungsgrad liege dabei über den gesamten Leistungsbereich bei über 98 %. Bei 100 kW sei eine Effizienz von 98,8 % gemessen worden. Der entwickelte Wandler hat den Stand eines frühen Prototyps. Die Projektergebnisse sollen aufzeigen, dass sich durch den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern ein DC-DC-Wandler mit einer hohen Leistung und hohen Schaltfrequenz bei gleichzeitig sehr guter Effizienz realisieren lässt.

Einsatz von 3,3-kV-SiC-MOSFET-Modulen

"Mit Blick auf die Weiterentwicklung des Spannungswandlers wäre eine Verschaltung von vier Wandlerstufen in einer sogenannten ISOP-Konfiguration denkbar. Dadurch würde man die MV-Spannung auf bis zu 8 kV erhöhen", sagt Projektleiter Anton Gorodnichev vom Fraunhofer IEE. "Eine solche Weiterentwicklung könnte im Rahmen eines Folgeprojektes geschehen. Dabei wäre etwa eine Optimierung bezüglich des Bauraums und der Leistungsdichte interessant."

Eine weitere Besonderheit des Projektes sei der Einsatz von 3,3-kV-SiC-MOSFET-Modulen, so die Projektpartner, die von Infineon erstmals entwickelt und optimiert wurden. Durch den Einsatz dieser Module im Musicel-DC-DC-Wandler sei die Eignung der Module für eine Applikation mit hoher Leistung und Spannung bestätigt worden. Gegenüber den IGBTs hätten die SiC-Module einen geringeren Durchlasswiderstand sowie deutlich kürzere Ein- und Ausschaltzeiten aufgewiesen. Dadurch ließen sich die Halbleiterverluste sowohl im Nenn- als auch im Teillastbetrieb reduzieren. Neben Land- und Baumaschinen könnten diese Leistungshalbleiter in den Antriebssträngen von Straßenbahnen und Zügen eingesetzt werden. Auch moderne Mittelspannungs-Festkörpertransformatoren (Solid-State-Transformers) ließen sich durch den Einsatz der SiC-MOSFET-Module bezüglich der Effizienz weiter optimieren. 

Kombination aus hoher Leistung und hoher Schaltfrequenz

Laut den Projektpartnern sei die Kombination aus hoher Leistung und hoher Schaltfrequenz für mobile Anwendungen von großer Bedeutung. Erst durch eine hohe Schaltfrequenz könne die Größe der induktiven und kapazitiven Komponenten entscheidend reduziert werden. Sie führe jedoch zu hohen Verlusten im Wandler, da bei jedem Umschaltvorgang in den Leistungsschaltern Verlustenergie generiert wird. Durch den Einsatz von Leistungsschaltern auf SiC-Basis, die Verwendung einer resonanten Topologie und durch eine optimierte Ansteuerung des Wandlers konnten diese Verluste erheblich reduziert werden. Die resonante Topologie nutze einen serienresonanten Zwischenkreis, um einen annähernd sinusförmigen Strom im Transformator zu erzeugen. Dadurch könnten die sonst verlustreichen Schaltvorgänge im Stromnulldurchgang erfolgen und seien somit nahezu verlustfrei.

Der Gleichspannungswandler hat eine Eingangsspannung von 2 kV. Durch eine serielle Verschaltung von vier gleichen Wandlern könnte ein System mit einer Eingangsspannung von bis zu 8 kV realisiert werden. Dies soll die verlustarme Versorgung einer Land- oder Baumaschine über ein DC-Kabel mit einer Länge von einigen Kilometern ermöglichen. Die Ausgangsspannung beträgt 700 V und ermöglicht so den Betrieb von Antriebslösungen an Bord der Land- und Baumaschinen.

Der Projektpartner STS hat einen flüssigkeitsgekühlten Hochleistungstransformator entwickelt und diesen für eine Betriebsfrequenz von 50 kHz und 250 kW ausgelegt. Der Transformator soll eine Effizienz von über 99 % erreichen und strengen Isolationsanforderungen genügen. Zusätzlich wurde ein weiterer Transformator mit einem alternativen Design mit einem 3-D-gedruckten Gehäuse von der Universität Hannover entwickelt.

Projektpartner

Die Partner des Projekts Musicel sind die Infineon Technologies AG, STS Spezial-Transformatoren-Stockach GmbH & Co. KG, das Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik der Universität Hannover und das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und betreut durch den Projektträger Jülich (PtJ).

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