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Teilvorhaben 6, Teilvorhaben 5

MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile

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

Wide-band-gap (WBG) Leistungs-Halbleiter bieten durch geringe Durchlass- und Schaltverluste, die damit verbundene Möglichkeit höherer Taktfrequenzen und eine potenziell höhere Arbeits-Temperatur große Perspektiven bezüglich einer Volumens- und Massereduktion von Systemen mit leistungselektronischen Komponenten. Im Rahmen des Verbund-Projektes SiCuM sollen diese Potentiale am Beispiel von SiC-basierten Leistungshalbleitermodulen sowie eines darauf basierenden Umrichters für den Einsatz in der Traktion für Straßenbahnen untersucht werden. In dieser Anwendung können die Vorzüge von WBG-Halbleitern zur Gewichts- und Volumen-Reduktion der Antriebskomponenten und zu neuen Freiheitsgraden für die Fahrzeugaufbau führen. Weitere positive Effekte können in Bezug auf durch höhere Taktung verringerte Stromoberwellen erreicht werden, wodurch sich Pendelmomente in den Fahrmotoren und damit auch die Geräusch-Emission verringern lassen. Ein rechnergestützter Entwurf ist bei der Entwicklung leistungselektronischer Systeme unabdingbar und seit vielen Jahren Stand der Technik. Mit der Einführung von WBG-Leistungshalbleitern gilt es, vorhandene Methoden und Beschreibungs-Ansätze an die speziellen Eigenschaften der neuen Bauelemente anzupassen und ggf. zu erweitern. Das hier beschriebene Teilvorhaben innerhalb von SiCuM wird sich dieser Aufgabe widmen, wobei ein wichtiges Ziel eine weitestgehende Automatisierung der Entwurfs-Arbeiten ist.

Teilvorhaben: Kompaktumrichter mit optimierten Systemschnittstellen, Teilvorhaben: SiC Bauelemente und Module

SiC-basierte modulare Leistungselektronik für ausfallsichere Antriebstechnik - SiCmodul, Teilvorhaben: Modulare Hochtemperatur SiC Power Elektronik für ausfallsichere Leistungssteuerung der Antriebstechnik

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM arbeitet an vier Arbeitspaketen im Vorhaben. Der Schwerpunkt der Aktivitäten liegt in der Entwicklung eines niederinduktiven Aufbaus für Schaltzellen mittels Embedding zur effizienten Nutzung schnellschaltender SiC-Leistungshalbleiter, der Erforschung eines Verfahrens zur Erzeugung dicker Cu-Metallisierungen auf den Kontaktflächen vereinzelter Leistungshalbleiter, der Optimierung der Embedding-Technologie mittels Niedertemperatur- / Niederdruck-Ag-Sintern und galvanischer Oberseitenkontaktierung, der Entwicklung eines fertigungstauglichen Verfahrens im Vergleich zum Embedding mittels doppelseitiger Cu-Kontaktierung sowie einer Untersuchung des thermischen Verhaltens im Vergleich zu anderen Embedding-Verfahren und der Untersuchung sowie Optimierung einer modularen Verbindungstechnik zwischen den Komponenten von Leistungsmodulen mittels einer kombinierten Sinter- / Laminier-Technologie. Mit den Kenntnissen zu Methoden und Technologien in der Aufbau- und Verbindungstechnik von mikroelektronischen und mikrosystematischen Bauteilen unterstützt IZM die Verbundpartner bei ihren Arbeiten.

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, 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.

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.

DyConPV - Hochdynamische Regelung von Photovoltaik-Wechselrichtern, Teilvorhaben: Nichtlineare modellprädiktive Regelung schnellschaltender Leistungselektronik mit Pulsmusteroptimierung

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.

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