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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.
Ziel des Forschungsprojektes Ide3AL ist es, die Verluste im Antriebssystem gegenüber marktetablierten, geregelten Antriebssystemen um durchschnittlich 15% zu senken. Der Einsatz schnellschaltender, verlustarmer SiC-Leistungshalbleiter in Verbindung mit integrierter Filtertechnologie soll zu einer deutlichen Reduktion von Eigen- und Zusatzverlusten führen, die konventionelle Umrichter nach dem Stand der Technik verursachen. Im Teilvorhaben werden folgende Punkte bearbeitet: 1. Auslegung und Realisierung des Sinusfilters; 2. Kern- und Materialauswahl für Wickelgüter; 3. Fertigung der Wickelgüter.
Die Robert Bosch GmbH wird im Rahmen des Projekts SiCmodul die Entwicklung hochtemperaturstabiler (bis 200°C) und hocheffizienter SiC Leistungsmodule unterstützen und den Fügeprozess für SiC Chips weiterentwickeln. Diese neue Modulaufbautechnologie für SiC wird mittels geeigneter Testvehikel hinsichtlich elektrischer Performance und Robustheit qualifiziert. Als finaler Demonstrator wird eine 800V Asynchronmaschine für die Elektronikintegration in das Maschinengehäuse modifiziert und auf dem Motorprüfstand getestet. Die entwickelte SiC Leistungsmodultechnologie wird parallel auf Modulebene elektrisch charakterisiert.
Forschungsziele von SiCmodul sind Einsatz und Befähigung neuartiger Aufbau- und Verbindungstechnologien (AVT) zur Realisierung eines hochintegrierten, universellen Halbbrücken-Bausteins für leistungselektronische Anwendungen mit schnellschaltenden SiC-Halbleitern. Die Integration von Leistungsschaltern, Snubber-Kondensator und Treiberschaltung in einem Embedded-SiC-Modul ermöglicht einerseits durch Modularisierbarkeit den Einsatz in verschiedenen Applikationen und Leistungsklassen, andererseits die Nutzung der Vorteile von SiC-Halbleitern. Hierzu zählen der Einsatz in Hochtemperatur-Applikationen bei Temperaturen Tj bis 200 Grad Celsius, sowie die Maximierung der Leistungsdichte mittels schneller Schaltvorgänge durch eine Kommutierungsinduktivität kleiner als 4 nH. Der Hauptfokus von Schweizer liegt auf dem Kernstück des Projekts SiCmodul, welches das 1200 V SiC Embedding Leistungsmodul mit Halbbrücken-Funktionalität darstellt. Zu dessen Realisierung werden auf Leadframes gefügte Siliziumcarbid-Halbleiter in hochtemperatur-geeignete, organische Substrate durch Leiterplattenprozesse integriert/embedded und die Leadframes beidseitig galvanische in Mikro Via-Technologie kontaktiert. Zusätzlich sollen ebenfalls passive Bauelemente, Sicherheitssensorik und Gatetreiber in den Modulen integriert werden.
Das Forschungsvorhaben KOOPERATION hat zum Ziel, den Nutzen aus SiC Halbleitern im hohen Maße zu steigern. Dadurch soll KOOPERATION dazu beitragen, die Systemkosten im elektrischen Antriebsstrang zu reduzieren und letztendlich E-Fahrzeuge aus deutscher Hand noch attraktiver zu machen. Die Methoden von KOOPERATION fokussieren dabei nicht einfach auf Detailverbesserungen des Standes der Technik, sondern nutzen zwei grundlegende Lösungsansätze, welche es erlauben, SiC Materialien wesentlich besser auszunutzen.
Neuartige Leistungshalbleiter wie z.B. auf Siliziumkarbidbasis (SiC) haben überragend gute elektrische Eigenschaften. Gegen einen breiten Masseneinsatz sprechen aber die hohen Materialkosten. Zwei Lösungsansätze sollen daher den Nutzen dieser sehr teuren Bauelemente wesentlich steigern bzw. den Materialeinsatz der Halbleiter deutlich reduzieren. Erstens soll das elektronische Gerät mehr als eine Aufgabe übernehmen. Dieser Multi-Use Wandler soll das E-Fahrzeug antreiben und zusätzlich im Stillstand als Ladegerät dienen. Zweitens soll ein neuartiges siliziumbasiertes Snubberelement den SiC Schalter wesentlich entlasten und besser nutzbar machen. Zusammen können beide Methoden die Kosten reduzieren und einen hohen Mehrwert generieren, so dass sich SiC am Markt schneller und effizienter durchsetzen kann.
Im Projekt KOOPERATION werden zwei Hauptziele verfolgt. Zum einen soll auf einem Siliziumcarbid(SiC)-Leistungsmodul ein sogenannter RC-Snubber (SiRC) zum Einsatz kommen, der die parasitären Effekte dämpft, die bei Schaltvorgängen mit SiC-Komponenten auftreten. Wegen dieser Effekte, und den daraus resultierenden Schwingungen, müssen SiC-Transistoren langsamer geschaltet werden, als eigentlich möglich wäre. Durch den RC-Snubber werden die störenden Schwingungen gedämpft und die Transistoren können mit höheren Schaltgeschwindigkeiten betrieben werden. Dies reduziert die Schaltverluste und steigert die Effizienz der SiC-Komponente. Zum anderen wird ein Dual-Use-Ansatz verfolgt, indem der im Antriebsstrang verbaute Gleichstromwandler auch als Ladegerät fungiert. Ermöglicht werden soll dies durch eine Topologieumschaltung, die nicht nur sehr hohe Leistungen für das Laden mit Wechsel- oder Gleichstrom zulässt, sondern auch die Möglichkeit zur deutlichen Erhöhung der Ladeleistung bietet. Die Integration von Baugruppen und deren gesteigerte Effizienz erlaubt zudem eine deutliche Reduzierung der Baugröße.
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.
| Organisation | Count |
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| Bund | 115 |
| Wissenschaft | 23 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
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| Förderprogramm | 115 |
| License | Count |
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| Offen | 115 |
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| Keine | 19 |
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| Boden | 57 |
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