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MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile

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.

HVSiCStack: Modulare Leistungselektronik auf Siliziumcarbidbasis für Hochspannungsanwendungen, Teilvorhaben: Robuster und niederinduktiver HV-SiC-Powerstack für skalierbare und hochintegrierte MS-Umrichter

Der Hauptfokus für die TU Chemnitz liegt auf der Untersuchung der Zuverlässigkeit der SiC-Bauelemente. Im Zuge dieser Arbeit sollen geeignete Verfahren zur Temperaturermittlung gefunden werden, damit anschließend Zuverlässigkeitsuntersuchungen der Aufbau- und Verbindungstechnik durchgeführt werden können. Weiter sollen die SiC-Bauelemente ebenfalls auf Zuverlässigkeit untersucht werden. Hierbei werden die Randstruktur, die Qualität des Gateoxids und eventuelle Schwachstellen der Passivierungsschicht untersucht. Die Herausforderung hierbei wird sein, geeignete Testaufbauten zu entwickeln, die zunächst einmal die Messungen bei den geforderten hohen Spannungen der SiC-Bauelemente ermöglichen sowie die Zuverlässigkeit der Bauelemente nachweisen. Dies ist dahingehend wichtig, da der Einsatz für SiC-Bauelemente in Spannungsbereichen möglich ist, in denen Silizium nicht mehr verwendbar ist.

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.

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.

Teilprojekt C^Maßgeschneiderte Inhaltsstoffe: ECOX2: Enzymatische und chemische Oxidationskaskade in der Gasphase - Phenol aus Biogas, Teilprojekt B

Ziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines chemisch-biotechnischen Verfahrens zur Herstellung von Phenol aus Biogas. In einem ersten Schritt sollen aus Biogas chemokatalytisch Benzol und die Nebenprodukte Ethen und Naphthalin hergestellt werden. In einem zweiten biotechnologischen Schritt sollen Benzol in Phenol sowie die Nebenprodukte in die Wertstoffe Ethylenoxid und Naphthol umgesetzt werden. Die Ziele des Teilprojekts sind: i) Aufbau einer Testanlage, ii) Einsatzfähige Single-Site Katalysatoren sowie iii) Produktion von Phenol, Naphthol und Ethylenoxid aus Biogas durch Kopplung von Chemo- und Biokatalyse. Für letzteres Ziel optimiert LIKAT drei Klassen von Katalysatoren auf maximale Selektivität für Benzol bei höchstmöglichem Umsatz von Biogas bzw. Methan. MLU stellt eine lösliche Methanmonooxygenase zur Verfügung und screent nach weiteren Benzol und Naphthalin oxidierenden Enzymen, welche rekombinant gewonnen werden sollen. IGB ist zuständig für das Screening nach weiteren Ethen oxidierenden Enzymen, die Untersuchung und Optimierung der Ganzzellkatalyse durch methanotrophe Mikroorganismen, sowie Aufbau und Betrieb einer Versuchsanlage zur Herstellung aller Endprodukte. Danach sollen die in den Teilprojekten erreichten Ergebnisse in der Versuchsanlage durch Kopplung der Chemo- und Biokatalyse vereinigt werden. Die Arbeitsplanung von LIKAT umfasst im Einzelnen folgende Arbeitspakete: 1) Aufbau des Teststandes für die Methanaromatisierung; 2) Synthese geeigneter Single-Site-Katalysatoren, wie Fe, Mo und vergleichbare, auf Trägermaterialien, wie SiO2, SiC, Kohlenstoffallotrope, Zeolithe; 3) Katalysatorcharakterisierung (XRD, BET, TG/DSC, XPS, UV-vis, IR/Raman, Chemisorption, TEM, XANES/EXAFS); 4) Katalysatortests im breiten Parameterraum 5) Optimierung von Katalysatorsynthese und Austestung sowie 6) Chemo- und Biokatalytische Kopplung.

SiCuM: Kompakte und robuste Siliziumcarbid-Leistungselektronik für die urbane Mobilität^Teilvorhaben: Simulation und kompakte Modelle, Teilvorhaben: Robuste und Effiziente Ansteuerung

Der öffentliche Nahverkehr ist eine bedeutende Komponente der Mobilität der Bevölkerung. Die Antriebstechnik von Straßenbahnen nutzt Leistungselektronik für die Steuerung der Fahrmotoren. Dabei bestehen hohe Anforderungen an die Kompaktheit. Die Verwendung von wide band gap (WBG) Leistungs-halbleiter, speziell SiC, bietet durch geringe Durchlass- und Schaltverluste und eine potenziell höhere Arbeits-temperatur die größten Perspektiven bezüglich einer Volumens- und Massereduktion. Perspektivisch können für die Traktionsumrichter neue Einbauräume z.B. in der Nähe der Motoren erschlossen werden. Darüber hinaus kann durch die hohen Taktfrequenzen der SiC-Bauelemente der Wirkungsgrad im Antriebsstrang deutlich verbessert werden. Hinzu kommen Reduktionen der durch Pendelmomente und Magnetostriktion angeregten Motorgeräusche, ein Vorteil besonders für den urbanen Verkehr. Dabei ist eine robuste Aufbautechnik der Leistungs-halbleiter aufgrund der hohen Anforderungen bezüglich Lebensdauer, Temperatur- und Lastzyklenfestigkeit sowie klimatischer Bedingungen. Erforderlich und Netzspannungen bis zu 1200 V und Leistungen bis etwa 200 kW beherrscht werden, was eine hochstromgeeignete Aufbautechnik erfordert. (

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)

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