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MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile

DyConPV - Hochdynamische Regelung von Photovoltaik-Wechselrichtern, Teilvorhaben: Ein auf Basis von Siliziumcarbid-Transistoren optimiertes Wechselrichterkonzept

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer hochdynamischen Regelungstechnik für den Einsatz hochfrequent taktender Einspeisewechselrichter auf Basis von Siliziumcarbid(SiC) -Halbleitern. Innerhalb des Vorhabens wird ein netzgekoppelten Wechselrichterdemonstrator mit schnellschaltenden SiC -Halbleitern und einem neuartigen modellbasierten Regelansatz entwickelt. Der Demonstrator soll in der Lage sein, sowohl aktuelle als auch zukünftige Vorgaben hinsichtlich Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Regeldynamik bzw. Regelgüte zu erfüllen und somit auch eine flexible Lösung für Anforderungen bieten, die sich im Rahmen der Energiewende durch die Veränderung des Versorgungsnetzes ergeben.

DyConPV - Hochdynamische Regelung von Photovoltaik-Wechselrichtern, Teilvorhaben: Entwicklung und Implementierung modellprädiktiver Regelungsalgorithmen für netzgekoppelte Wechselrichter

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer hochdynamischen Regelungstechnik für den Einsatz hochfrequent taktender Einspeisewechselrichter auf Basis von Siliziumcarbid(SiC) -Halbleitern. Innerhalb des Vorhabens wird ein netzgekoppelter Wechselrichterdemonstrator mit schnellschaltenden SiC -Halbleitern und einem neuartigen modellbasierten Regelansatz entwickelt. Der Demonstrator soll in der Lage sein, sowohl aktuelle als auch zukünftige Vorgaben hinsichtlich Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Regeldynamik bzw. Regelgüte zu erfüllen und somit auch eine flexible Lösung für Anforderungen bieten, die sich im Rahmen der Energiewende durch die Veränderung des Versorgungsnetzes ergeben.

Teilvorhaben: Spezifikation und Bewertung kompakter und optimierter Leistungselektronik auf Siliziumkarbidbasis für effiziente automotive Anwendungen^KOOPERATION: Kompakte, optimierte Leistungselektronik auf Siliziumkarbidbasis für die Elektromobilität, Teilvorhaben: Anwendungsorientierter Aufbau einer Leistungselektronik auf Siliziumkarbidbasis für die Elektromobilität

Das Forschungsvorhaben nutzt die nun kommerziell zur Verfügung stehenden neuartigen WBG SiC Bauelemente um leistungselektronische Systeme, namentlich Traktions-DC/DC-Wandler und On-board Ladegerät, noch effizienter und deren Funktionalität mit noch weniger Materialaufwand und noch geringeren Kosten zu realisieren, als das mit dem derzeitigen Stand der Technik möglich ist. Der Traktions-DC/DC-Wandler ist eine besonders wichtige Komponente zur Realisierung einer nachhaltigen, d.h. möglichst effizienten Elektromobilität. Das geplante Forschungsvorhaben optimiert mittels eines chip-integrierten passiven Dämpfungsgliedes das Schaltverhalten des Traktions-DC/DC-Wandlers und erhöht dadurch seine Leistungsfähigkeit deutlich. Zudem wird gezeigt, dass der Traktions-DC/DC-Wandler auch als On-board Ladegerät genutzt werden kann (Dual-Use-Prinzip), was zu einer massiven Kosteneinsparung bei gleicher Funktionalität führt.

Teilvorhaben: Materialcharakterisierung und Zuverlässigkeitsbewertung für kompakte, robuste und effiziente Leistungselektronik-Systeme^Teilvorhaben: Anorganisch umhüllte Leistungsmodule mit SiC- und GaN-kompatiblem thermischem Stapel^Teilvorhaben: Analytik und Applikation von Leistungsmodulen unter Verwendung von anorganischen Umhüll- und Vergussmassen sowie WBG-Halbleitern^Teilvorhaben: Entwicklung Umhüllmassen^Teilvorhaben: Entwicklung einer Verfahrenstechnik zur Verarbeitung von Umhüllmassen auf Basis von Zementen^ReLEEB: Neuartige Leistungselektronik-Komponenten für zukünftige Anwendungen mit hoher Energiedichte und kleinem Bauraum, Teilvorhaben: Umhüllmaterial-, Komponenten- und Systementwicklung für revolutionäre Leistungselektronik

Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Darstellung eines kompakten, robusten und effizienten DC/DC-Wandlers für E-Fahrzeuge unter Nutzung von erhältlichen Si-, bzw. WBG-Halbleitern (GaN, SiC) inklusive passiver Komponenten in einem Leistungsmodul mit neuartigem Design und optimiertem Thermomanagement. Um diese Ziel zu erreichen, müssen neuartige, kostengünstige, anorganische Umhüllmassen mit geforderten Eigenschaften (Temperatur-Beständigkeit bis 300 Grad Celsius, Wärmeleitfähigkeit größer als 5 W/m K) entwickelt und charakterisiert werden. Dazu werden Testmethoden und Prüfkörper-Designs definiert, aufgebaut und eingesetzt, mit denen die thermischen, elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften der anorganischen Umhüllmasse erfasst und bewertet werden. Die neuen anorganischen Umhüllmaterialien werden beim Aufbau von neu konzipiertem, miniaturisiertem DC/DC-Wandler-Demonstrator eingesetzt. Es werden gleichzeitig umweltfreundliche und anwendungsgerechte Umhüllverfahren bewertet. Der Funktions- und Zuverlässigkeitsnachweis soll, unter Betrachtung des ganzheitlichen Designs, anhand von zwei Demonstrator-Systemen DC-DC-Wandler für E-Mobilität und von Projektpartnern aufgebaute industrieller Antriebsumrichter erbracht werden. (Text gekürzt)

TIBET: Hochtransparente, leitfähige und passivierende Elektroden für hocheffiziente Solarzellen, Teilvorhaben FAP GmbH: Entwicklung einer Hot-Wire Linienquelle und einer PECVD Abscheidung mit Plasmafrequenzen bis 200 MHz

In diesem Verbundprojekt sollen neuartige Elektrodenmaterialien entwickelt werden, die sich durch drei wesentliche Materialeigenschaften auszeichnen: hohe Passivierwirkung, sehr gute optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Es werden Elektroden entwickelt, die auf dielektrischen Schichten basieren und mit der PERC Anlagentechnik und Prozessführung kompatibel sind. Weiterhin werden Elektroden mit verbesserter Transparenz und besserer passivierender Wirkung für a-Si:H/c-Si Heterokontaktsolarzellen angestrebt. FAP: Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung einer Hot-Wire Linienquelle und einer PECVD Abscheidung mit Plasmafrequenzen bis 200 MHz für diese Aufgabenstellung. Es werden drei wissenschaftliche Ansätze verfolgt. Zum einen sollen heutige dielektrische Passivierungsschichten durch Dotierung und Einführung von Laminatstrukturen weiterentwickelt werden. Im zweiten Ansatz werden amorphe und mikrokristalline Halbleiter mit hohen Bandlücken (a-SiOx, a-SiC und Mikro c-SiOx) entwickelt. Um die Passivierungswirkung dieser Materialien weiter zu erhöhen, werden im dritten Ansatz neue Abscheideverfahren mit extrem geringer Grenzflächenschädigung für Heterokontakt-Solarzellen entwickelt. Für die drei Ansätze werden zunächst die neue Prozessanlagentechnik und die entsprechenden Prozesse entwickelt. Danach finden die Materialentwicklung und abschließend die Demonstration und Verifikation in funktionierenden Solarzellen statt.

TIBET: Hochtransparente, leitfähige und passivierende Elektroden für hocheffiziente Solarzellen, Teilvorhaben: 'Entwicklung und Verifikation dielektrischer Nanolaminate'

In diesem Verbundprojekt sollen neuartige Elektrodenmaterialien entwickelt werden, die sich durch drei wesentliche Materialeigenschaften auszeichnen: Hohe Passivierwirkung, sehr gute optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Es werden Elektroden entwickelt, die auf dielektrischen Schichten basieren und mit der PERC Anlagentechnik und Prozessführung kompatibel sind. Weiterhin werden Elektroden mit verbesserter Transparenz und besserer passivierender Wirkung für a Si:H/c Si Heterokontaktsolarzellen angestrebt. Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung der benötigten Nanolaminate und deren Verifikation. Es werden drei wissenschaftliche Ansätze verfolgt. Zum einen sollen heutige dielektrische Passivierungsschichten durch Dotierung und Einführung von Laminatstrukturen weiterentwickelt werden. Im zweite Ansatz werden amorphe und mikrokristallinen Halbleitern mit hohen Bandlücken (a SiOx, a SiC und Mikro c SiOx) entwickelt. Um die Passivierungswirkung dieser Materialien weiter zu erhöhen, werden im dritten Ansatz neue Abscheideverfahren mit extrem geringer Grenzflächenschädigung für Heterokontakt-Solarzellen entwickelt. Für die drei Ansätze werden zunächst die neue Prozessanlagentechnik und die entsprechenden Prozesse entwickelt. Danach findet die Materialentwicklung und abschließende die Demonstration und Verifikation in funktionierenden Solarzellen statt.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Fraunhofer ISE

Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungs-/energiebatterie an das Verteilnetz. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3-kV-SiC-MOSFETs genutzt. Mit diesen Bauelementen sollen SiC-Leistungsmodule zu 150 - 300 A entwickelt werden. Erst die Entwicklung von niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodulen schafft die Grundlage für die Entwicklung von Mittelspannungsumrichtern hoher Leistung. In einem 3,3-kV-Netz ergeben sich hierbei Umrichterleistungen von 250 - 1.000 kVA. Über die Mittelspannungsebene wird der Hochleistungsspeicher eingebunden, der dann in das 110-kV-Netz gekoppelt wird. Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Weiter ermöglichen mehrere Hochleistungsspeicher im Verbund des 110-kV-Netzes den Wiederaufbau des Netzes und das Anfahren von Kraftwerken. Damit können Hochleistungsspeicher neben den klassischen Pumpspeicherseen eine weitere strategisch wichtige Säule zur Schwarzstartfähigkeit der Energieversorgung bilden. Durch die Verbundpartner dieses Vorhabens ist die gesamte wirtschaftliche Wertschöpfungskette vom Komponentenhersteller, Leistungselektronikhersteller, Systemintegrator und Netzbetreiber dargestellt. Die Forschungsaspekte zu Bauelementen, Leistungselektronik, System- und Regelungstechnik werden durch das Fraunhofer ISE flankiert. Semikron wird die Entwicklung der niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodule durchführen. Die Entwicklung der induktiven Leistungsbauelemente und die Durchführung damit verbundener Studien werden von STS übernommen.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Optimierte Aufbau- und Verbindungstechnik für SiC-Leistungshalbleiter zur Anwendung in Mittelspannungsumrichtern

Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungsenergiebatterie an das Verteilnetz. Innerhalb des Vorhabens 'SiC-MSBat' werden neue leistungselektronische Konzepte basierend auf innovativen Halbleitertechnologien entwickelt, die die Systemkosten senken und damit eine schnellere, unkomplizierte und effiziente Integration von Speichern in Mittelspannungsnetze ermöglichen. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3 kV SiC MOSFETs und Dioden verwendet. Das Ziel im Teilvorhaben ist damit zuverlässige Leistungselektronikmodule zu konzipieren, die durch ihre Eigenschaften ein gutes Skalierungspotentialbieten. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf hohen Schaltfrequenzen die besondere Herausforderungen mit sich bringen. So muss das Layout der Modulschaltung zu niedrigen Induktivitäten hin optimiert werden, um Schaltverluste zu reduzieren und hohe Überspannungen zu vermeiden.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilprojekt: 'Hochstrom-Mittelspannungs-Drosseln für hohe Schaltfrequenzen'

Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Weiter ermöglichen mehrere Hochleistungsspeicher im Verbund des 110-kV-Netzes den Wiederaufbau des Netzes und das Anfahren von Kraftwerken. Damit können Hochleistungsspeicher neben den klassischen Pumpspeicherseen eine weitere strategisch wichtige Säule zur Schwarzstartfähigkeit der Energieversorgung bilden. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungsenergiebatterie an das Verteilnetz. Im Teilprojekt STS sollen Lösungen für induktive Leistungsbauelemente für solche Umrichter erarbeitet werden. Dabei bestehen heute substanzielle Defizite im Verständnis elementarer Zusammenhänge bei der Dimensionierung und dem Betrieb solcher Bauteile. Die Aufklärung entsprechender Wirkgefüge und deren Verallgemeinerung und Abbildung in mathematische Modelle ist daher wesentlicher Bestandteil des Teil-Projekts, bevor konkrete technische Entwicklungen erfolgen. Auch neue Kühlkonzepte sind zu erarbeiten. Begonnen wird mit konzeptionellen Aspekten, wie Verfügbarkeitsanalysen oder allgemeine Simulationen. Darauf aufbauend erfolgen detaillierte Parameteranalysen und die Entwicklung neuer mathematischer Modelle für induktive Bauelemente. Entsprechend des Arbeitsfortschritts bei der Modellbildung erfolgt die Entwicklung und Charakterisierung von Mittelspannungsdrosseln. Die Inbetriebnahme und der Test des Demonstrators werden durch Teilentladungsmessungen unterstützt. Aus den Testläufen werden zudem Erkenntnisse abgeleitet, die in eine kontinuierliche Verifizierung der Simulationsmodelle und eine Optimierung der Drosseln einfließen.

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