Siliziumkarbid-Elektronik mit hoher Effizienz

Die Elektrifi­zierung von aktuell mit Verbrennungs­motoren betriebenen Land- und Baumaschinen ist ein unumgänglicher Beitrag zur Reduzierung von Emissionen. Durch den voran­schreitenden Ausbau von regenerativen Energiequellen können klimaschädliche Emissionen perspektivisch vollständig vermieden werden. Das Ziel des Forschungs­projektes MUSiCel war daher die Erforschung und Erprobung von innovativen 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.

Im Rahmen des Projektes wurde ein galvanisch trennender Spannungswandler realisiert. Die Projektpartner 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. Durch den Einsatz von neuartigen Silizium­karbid (SiC) Wide-Band-Gap-Halbleitern konnte eine einmalige Kombination aus einer Ausgangsleistung von 250 Kilowatt und einer Schaltfrequenz von fünfzig Kilohertz erreicht werden. Der Wirkungsgrad liegt dabei über den gesamten Leistungs­bereich bei über 98 Prozent. Bei 100 Kilowatt konnte sogar eine Effizienz von 98,8 Prozent gemessen werden. Der entwickelte Wandler hat den Stand eines frühen Prototyps. Die Projekt­ergebnisse zeigen auf, dass durch den Einsatz von SiC-Leistungs­halbleitern ein DC-DC-Wandler mit einer hohen Leistung und hohen Schaltfrequenz bei gleichzeitig sehr guter Effizienz realisiert werden kann.

„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 acht Kilovolt 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 ist der Einsatz von 3,3 Kilovolt SiC-MOSFET Modulen, die von Infineon erstmals entwickelt und optimiert wurden. Durch den erfolgreichen Einsatz dieser Module im MUSiCel-DC-DC-Wandler konnte die Eignung der Module für eine Applikation mit hoher Leistung und Spannung bestätigt werden. Gegenüber den IGBTs weisen die SiC-Module einen geringeren Durchlass­widerstand sowie deutlich kürzere Ein- und Ausschalt­zeiten auf. Dadurch können die Halbleiterverluste sowohl im Nenn- als auch im Teillast­betrieb reduziert werden. Neben Land- und Baumaschinen können diese Leistungs­halbleiter in den Antriebs­strängen von Straßenbahnen und Zügen eingesetzt werden. Auch moderne Mittelspannungs-Festkörpertrans­formatoren können durch den Einsatz der SiC-MOSFET-Module bezüglich der Effizienz weiter optimiert werden.

Die Kombination aus hoher Leistung und hoher Schaltfrequenz ist für mobile Anwendungen von großer Bedeutung. Erst durch eine hohe Schaltfrequenz kann die Größe der induktiven und kapazitiven Komponenten entscheidend reduziert werden. Sie führt 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 nutzt einen serien­resonanten Zwischenkreis, um einen annähernd sinusförmigen Strom im Transformator zu erzeugen. Dadurch können die sonst verlustreichen Schaltvorgänge im Stromnull­durchgang erfolgen und sind somit nahezu verlustfrei.

Der Gleichspannungs­wandler hat eine Eingangs­spannung von zwei Kilovolt. Durch eine serielle Verschaltung von vier gleichen Wandlern könnte ein System mit einer Eingangsspannung von bis zu acht Kilovolt realisiert werden. Dies ermöglicht die verlustarme Versorgung einer Land- oder Baumaschine über ein DC-Kabel mit einer Länge von einigen Kilometern. Die Ausgangsspannung beträgt 700 Volt 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 fünfzig Kilohertz und 250 Kilowatt ausgelegt. Der Transformator erreicht eine Effizienz von über 99 % und genügt strengen Isolationsanforderungen. Zusätzlich wurde ein weiterer Trans­formator mit einem alternativen Design mit einem 3D-gedruckten Gehäuse von der Universität Hannover entwickelt.

Fh.-IEE / JOL