Einrichtungen und Labore

Zur Erforschung netzbildender Umrichter wurde das FlexGridLab entwickelt – ein flexibel konfigurierbarer, stromrichterbasierter Netzdemonstrator, der erfolgreich aufgebaut und in Betrieb genommen wurde. Das FlexGridLab bietet eine vielseitige Experimentierumgebung zur Entwicklung und Erprobung innovativer netzbildender Regelungskonzepte. Im Zentrum stehen Untersuchungen zum Zusammenspiel mehrerer netzbildender Umrichter untereinander sowie in Kombination mit verschiedenen Speichertechnologien. Darüber hinaus können alternative Netzregelungsverfahren für stromrichterdominierte Netze implementiert und analysiert werden.

© TUD LE

Das FlexGridLab umfasst elf frei konfigurierbare Lehrstuhlwechselrichter, die als netzbildende Stromrichter, als Laststromrichter oder zur Emulation von Windenergieanlagen betrieben werden. Weitere als DC/DC-Konverter konfigurierte Lehrstuhlwechselrichter ermöglichen die Einbindung von Batteriespeichern und Supercaps. Zusätzlich erlaubt ein durch einen weiteren Wechselrichter gespeister Antriebssatz die Untersuchung eines Synchrongenerators am Labornetz. Des Weiteren steht der Netzspannungsemulator Cinergia zur Verfügung. Eine Netzwerkemulation mit jeweils vier frei kombinierbaren Spulen pro Verbindung ermöglicht die flexible Kopplung der Netzteilnehmer und die Realisierung unterschiedlichster Szenarien.

Forschungsschwerpunkte sind unter anderem:

• das Durchfahren niederimpedanter Fehler und die hierfür notwendige Strombegrenzung der Umrichter,
• die Resilienz gegenüber Frequenzstörungen,
• der Inselnetzbetrieb sowie die
• Schwarzstartfähigkeit netzbildender Stromrichter.

Ausgewählte technische Daten

• Elektrisches Netz: 400V, 50Hz
• 11 Lehrstuhlwechselrichter: 10kVA, 16Arms
• Frei programmierbarer Echtzeitregelungsplattform (FPRC) zur übergeordneten Steuerung
• 3 Batteriespeicher: 9,6kWh, 5kW
• Superkondensator: 88F, 100V

© TUD LE

•  Ansprechpartner:

© @M.Kretzschmar

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Dipl.-Ing. Jan Lasse Gnärig

E-Mail senden

Eine verschlüsselte E-Mail über das SecureMail-Portal versenden (nur für TUD-externe Personen).

Kontaktinformationen

Organisationsname

Professur Leistungselektronik

Professur Leistungselektronik

Adresse work

Besuchsadresse:

Görgesbau, Raum 110 Helmholtzstraße 9

01069 Dresden

work Tel.

Einordnung des Forschungsprojekts und Motivation:

© @Prof.LE

Die notwendige Reduktion von CO₂-Emissionen erfordert eine weltweite Transformation des Elektroenergiesystems. Dabei werden fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas durch regenerative Energiequellen wie z.B. Windenergie und Photovoltaik ersetzt. So soll in Deutschland im Jahr 2030 der Anteil regenerativer Energiequellen an der Bereitstellung elektrischer Energie 80% betragen. In den kommenden Jahren wird es somit zu einem enormen Wachstum regenerativer Energiequellen kommen. Mit dem Ausbau regenerativer Energieanlagen entfallen auch direkt am Netz betriebene Synchrongeneratoren in fossilen Kraftwerken, die bisher wichtige Netzsystemdienstleistungen z.B. für den Netzaufbau und die Netzstabilität erbrachten. Diese Netzdienstleistungen müssen zukünftig von regenerativen Energiequellen (d.h. z.B. von Windenergie- und PV-Anlagen) oder neuen Netzkomponenten, wie den hier untersuchten Schwungradspeicher (ARESS), erbracht werden.

© @Prof.LE

Im Rahmen des BMWi-Verbundprojekts ARESS erforschen die Professuren Leistungselektronik und Elektrische und Antriebe des Elektrotechnischen Instituts der TU Dresden zusammen mit Siemens Energy und weiteren Kooperationspartnern einen neuartigen Schwungradspeicher zur Netzstabilisierung und Netzstützung. Der Teststand wurde von der Professuren Leistungselektronik sowie Elektrische Maschinen und Antriebe des Elektrotechnischen Instituts der TU Dresden sowie Siemens Energy konzipiert, aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen.

Beschreibung des Teststands:

© @Prof.LE

Der Schwungradspeicher befindet sich auf einer Welle mit einer doppelt gespeistenAsynchronmaschine deren Rotor über einen sogenannten Modularen Multilevel Matrix Konverter mit dem Netz verbunden ist. Der Modularen Multilevel Matrix Konverter (M3C) ist eine vergleichsweise neuartige Schaltungstopologie mit Vorteilen bei hohen Leistungen und elektrischen Antrieben mit kleinen Drehzahlen. Eine Herausforderung dieser Topologie ist, dass eine große Anzahl von Submodulen (108 in dem Teststand) angesteuert werden muss. Um diese Aufgabe zu lösen, wurde an der Professur Leistungselektronik eine neuartige, modulare, verteilte Regelungsplattform mit hoher Rechenleistung und einer schnellen Kommunikation entwickelt. Die Regelungsplattform ermöglicht eine einfache und schnelle Implementierung neuartiger Regelungsalgorithmen. Die verteilte Regelungsplattform, sowie die hohe Anzahl an Submodulen (108) machen diese Anlage zum größten und regelungstechnisch performantesten M3C in der Fachliteratur.

Ausgewählte technische Daten:

• Elektrisches Netz: 400V, 50Hz
• Mögliche Lasten: Doppelt gespeiste Asynchronmaschine, Asynchronmaschine, R-L-Last
• Nennleistung: 15kVA
• Anzahl der Submodule: 108 (9 pro Arm)
• Maximale Submodulspannung: 100V

Untersuchungsziele:

Der Teststand dient der Erforschung neuartiger Regelungs- und Schutzkonzepte für ARESS. Insbesondere sollen die Stromrichterdimensionierung, eine Regelung für den netzbildenden Betrieb, sowie Fehlerfälle und Schutzkonzepte untersucht werden. 

Weiterführende Publikationen:

• J. Kienast, A. Hoffman, M. Höer and S. Bernet, Novel Distributed Control Platform and Algorithm for a Modular Multilevel Matrix Converter, IEEE Transactions on Power Electronics, pp. 1-12, März 2023
• Dresdner Forscher machen Stromnetz der Zukunft stabil, MDR.de, Februar 2022
• TUD-Forscher sollen E-Netze sicher machen, Sächsische Zeitung vom 31.03.2023

Ansprechpartner:

© @M.Kretzschmar

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Dr.-Ing. Jonas Kienast

E-Mail senden

Eine verschlüsselte E-Mail über das SecureMail-Portal versenden (nur für TUD-externe Personen).

Kontaktinformationen

Organisationsname

Professur Leistungselektronik

Professur Leistungselektronik

Adresse work

Besuchsadresse:

Görgesbau, Raum 110 Helmholtzstraße 9

01069 Dresden

work Tel.

Einordnung der Forschungsprojekte und Motivation:

© @M.Kretzschmar

Innovationen auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter sowie deren optimale Integration in ein leistungselektronisches System ermöglichen eine Effizienzsteigerung in Umrichtersystemen, eine Reduktion globaler CO₂-Emissionen und sind ein Schlüssel für die Transformation des Energiesektors hin zu regenerativen Energiequellen. Im Vergleich zu siliziumbasierten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) zeichnen sich Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid- (GaN) Wide-Bandgap-Bauelemente durch höhere Schaltgeschwindigkeiten und damit geringeren Schaltverlusten aus – was höhere Schaltfrequenzen ermöglicht – und haben ein wesentlich besseres Reverse-Recovery-Verhalten. Die spezifischen Einschaltwiderstände (R_ds,on * A) von SiC- und GaN-Bauelementen können bei gleicher Sperrspannung (z.B. 650 V) ebenfalls niedriger sein als bei Silizium-Bauelementen wie Si-MOSFETs. Daher haben SiC- und GaN-Bauelemente ein hohes Potenzial, den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von Umrichtersystemen zu erhöhen.

Für eine erfolgreiche Applikation neuartiger Galliumnitrid Leistungshalbleiter in leistungselektronische Systeme ist eine Charakterisierung des Halbleiters notwendig. Auch müssen die Kurzschlussfestigkeit und die optimale Fehlerbehandlung verifiziert werden. Im Rahmen des BMBF Verbundprojektes GaNMobil - Galliumnitridbasierte Leistungselektronikmodule für effiziente Elektromobilität wurde ein Teststand für die systematische Charakterisierung von GaN Leistungshalbleitern entwickelt. Während des Projektes konnten Halbleiter der Hersteller GaNSystems und Panasonic charakterisiert werden. Auch wurden verschiedene Ansteuerverfahren an einer GaN Halbbrückenschaltung erprobt und die Ansteuerung eines vom Projektpartner SEMIKRON hergestellten GaN-Halbbrückenmoduls für einen Motorumrichter (Prototyp) untersucht.

Weiterhin wurde/wird der Teststand im Rahmen von drei Projekten im Rahmen des ECPE - European Center for Power Electronics Netzwerks verwendet, um eine auf die Charakteristik der Bauelemente angepasste, schnelle und robuste Kurzschlusserkennung und –abschaltung zu entwickeln. Hier agiert die Professur Leistungselektronik der TU Dresden als Competence Center. In den Forschungsarbeiten zeigte sich eine sehr geringe Kurzschlussfestigkeit der GaN eHEMTs (enhancement-mode high-electron-mobility-transistor) von nur wenigen hundert Nanosekunden. Eine schnelle, robuste und auf die Charakteristik des Halbleiters angepasste Kurzschlusserkennung stellt somit eine große Herausforderung dar. Durch eine strukturierte Charakterisierung des Bauelements im Fehlerfall und die gezielte Modifikation eines etablierten Verfahrens zur Kurzschlusserkennung konnte eine hinreichend schnelle und robuste Kurzschlusserkennung und -abschaltung für GaN Leistungshalbleiter entwickelt werden.

Beschreibung des Teststands

© @M.Kretzschmar

Der Teststand besteht aus einem Schaltschrank, in dem das Device Under Test (DUT), die Spannungsquelle und Messtechnik beherbergt sind, sowie einen PC-Arbeitsplatz zur Steuerung der Experimente. Als Spannungsquelle kommt eine Laborquelle des Herstellers Elektroautomatik zum Einsatz. Die Messtechnik umfasst 1x MSO5204B und 1x DPO 5204B Oszilloskope des Herstellers Tektronix (je 2GHz, 10GS/s, >11Bit), diverse passive Tastköpfe, darunter 1x TPP0850 HV Tastkopf (800MHz, 1kV, 40MΩ||1,8pF) sowie 2x PMK Bumblebee differenzieller Tastkopf (400MHz, ±2kV, 5MΩ||4pF). Weiterhin werden zur Messung von Gate-Spannung und Logiksignalen eigens konfektionierte 50Ω Koaxialkabel verwendet. Die Ansteuerung des DUT erfolgt über Lichtwellenleiter und eine an der Professur Leistungselektronik entwickelte performante Ansteuer- und Regelplattform auf Basis eines Xilinx Zynq 7-Series und dual-core ARM Cortex-A9. Die Bedienung am PC-Arbeitsplatz erfolgt über ein C++ Programm.

© @M.Kretzschmar

Untersuchungsziele

Der Teststand dient der Charakterisierung neuartiger Galliumnitrid Leistungshalbleiter sowie der Erprobung von Ansteuerschaltungen und Kurzschlussschutzmechanismen. Zudem finden Untersuchungen zum Schaltverhalten parallel geschalteter GaN Leistungshalbleiter statt. 

Weiterführende Publikationen:

• M. Meißner, J. Schmitz and S. Bernet, "Switching Behavior and Comparison of 600V SMD Wide Bandgap Power Devices," 2020 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'20 ECCE Europe), 2020, pp. P.1-P.10, doi: 10.23919/EPE20ECCEEurope43536.2020.9215728.
• M. Meissner, J. Schmitz, F. Weiss and S. Bernet, "Current measurement of GaN power devices using a frequency compensated SMD shunt," PCIM Europe 2019; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2019, pp. 1-8.
• J. Schmitz, M. Meissner, F. Weiss and S. Bernet, "New fast short circuit detection method for SiC and GaN HEMT power semiconductors," PCIM Europe 2019; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2019, pp. 1-8.
• J. Schmitz, M. Meißner and S. Bernet, "Limits of enhanced desaturation detection method with adaptive blanking for GaN HEMTs," 2020 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'20 ECCE Europe), 2020, pp. 1-10, doi: 10.23919/EPE20ECCEEurope43536.2020.9215778.
• J. Schmitz, M. Meissner and S. Bernet, "Rugged and fast short circuit detection method for GaN HEMT based on saturation detection," CIPS 2022; 12th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, 2022, pp. 1-6.
• J. Schmitz, M. Meissner and S. Bernet: "Characterization of Short Circuit Behavior of Parallel Connected GaN HEMT Power Semiconductors," PCIM Europe 2023; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2023, pp. 1-10, doi: 10.30420/566091362

Ansprechpartner:

Als experimentelle Basis für den Forschungsschwerpunkt Leistungshalbleiter kann ein Mittelspannungsteststand zur Charakterisierung von neuartigen und konventionellen Leistungshalbleiter (z. B. IGBTs, IGCTs, MOSFETS, Dioden, Thyristoren, etc.) einschließlich Ansteuerung (Gate Units) verwendet werden.

© @M.Kretzschmar

Um einen möglichst weiten Bereich dieser Halbleiter abdecken zu können, gestattet der Teststand neben der Modulbauform auch Halbleiter für Press Pack Anwendungen zu untersuchen und Ansteuerbedingungen sowie Beschaltungen zu variieren. Die Zwischenkreisspannungen werden durch zwei Hochspannungsquellen präzise vorgegeben. Durch variable Pulszeiten und verschiedene Luftspulen können per Doppelpulstest verschiedene Phasen-ströme ausgegeben werden. Weiterhin ist durch ein Temperiergerät die Kühlkörpertemperatur in einen weiten Bereich regelbar. Die Messungen können als Einzelmessungen oder halbautomatisiert durchgeführt und auf der Basis von selbst entwickelten, leistungsfähigen Softwaremodulen erfolgt eine zuverlässige Auswertung der Messungen.

© @M.Kretzschmar

Durch den Einsatz der am Lehrstuhl entwickelten Regelungsplattform mit zusätzlichen 24 potentialgetrennten Ein- und Ausgängen per Lichtwellenleiter ist eine Ansteuerung von sowohl 2-Level als auch Multileveltopologien möglich. Die Steuerung des Versuchstandes und die Darstellung der erfassten Messwerte am Messplatz wird durch den ebenfalls am Lehrstuhl entwickelten „LabAnalyser“ ermöglicht. Durch die im Versuchsraum befindlichen Oszilloskope können zurzeit bis zu 16 Messkanäle aufgenommen, in Matlab importiert, abgespeichert und ausgewertet werden.  

© @M.Kretzschmar

Ausgewählte technische Daten:

• Maximale Zwischenkreisspannung: 15 kV,
• Maximale Stromstärke: 5 kA,
• Sperrschichttemperatur: -40°C bis 150°C (175°C),
• Gehäusebauformen: Modul, Press Pack,
• Einstellbare Streuinduktivität,
• Verschiedene Ansteuerungen, konstruktive Realisierungen und Beschaltungen möglich

Ansprechpartner:

© @M.Kretzschmar

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Dipl.-Ing. Matthias Meißner

E-Mail senden

Eine verschlüsselte E-Mail über das SecureMail-Portal versenden (nur für TUD-externe Personen).

Kontaktinformationen

Organisationsname

Professur Leistungselektronik

Professur Leistungselektronik

Adresse work

Besuchsadresse:

Görgesbau, Raum 306 Helmholtzstraße 9

01069 Dresden

work Tel.

Die Entwicklung neuartiger Regelungs- und Steuerungskonzepte für stromrichterbetriebene Prozesse benötigt hochperformante Regelungshardware, welche Rechenzyklen von einigen 10kHz realisieren kann. Vor allem bei der Regelung modularer Topologien existiert zudem die Notwendigkeit der schnellen Verarbeitung einer sehr hohen Anzahl von Ein- und Ausgabesignalen. Aufgrund der beschränkten Anzahl von Ein-und Ausgängen einer einzelnen Regelungsplattform ist daher ein modulares Konzept zu präferieren.

Zudem ist es in Forschung und Entwicklungnotwendig, alle in der Regelung vorhanden Daten in Echtzeit  zu überwachen, darstellen und verändern zu können um einen schnellen Rapid-Prototyping-Prozess zu gewährleisten.

Der aktuelle Markt für Regelungshardware bietet zwar Anbieter, welche viele der Anforderungen erfüllen, jedoch führt die notwendige Einarbeitungszeit, die hohen Anschaffungskosten (mehr als zehnfacher Preis) sowie die fehlende Anpassbarkeit oft zu Eigenentwicklungen.

Aus den genannten Gründen entschied sich die Professur für Leistungselektronik eine eigene frei programmierbare, Regelungsplattform zu entwickeln. Diese umfasst folgende Komponenten:

• Modulare Regelungshardware
• Vielseitig einsetzbare Sensorhardware
• Anzeigeframework
• Framework für Echtzeitregelungsaufgaben
• Linux basiertes Framework für asynchrone Aufgaben
• Wiederverwendbare IP-Cores.

Beschreibung des Projektes

Um den oben genannten Ansprüchen gerecht zu werden, wurde eine Regelungsplattform auf Basis des System on a Chip (SoC) Xilinx Zynq 7015 designed. Der Zynq-SoC zeichnet sich durch einen Dual-Core ARM Cortex A9 mit 766 MHz und einem Artix 7 FPGA aus. Die CPU Kerne sind über einen internen AXI-Bus mit dem FPGA verbunden, was einen hohen Datendurchsatz zwischen FPGA und den ARM Cortex Kernen ermöglicht. Die Peripherie der Regelungsplattform besteht aus

• 88 Digitale IOs,
• 16 Analoge Eingänge,
• 16 Analoge Ausgänge,
• 1 LAN port (1 GigE),
• USB ports (2.0),
• und 4 SFP sockets (6.25GBit/s).

Mit Hilfe von SFP-Modulen können die Regelungsplattformen modular miteinander verschaltet werden um die Rechenleistung und die Anzahl der Peripherie zu erhöhen.

© @M.Kretzschmar

Als Hauptbetriebssystem läuft auf der Regelungsplattform Linux. Dieses kann per SSH oder Web-Oberfläche bedient werden. Mit Hilfe des Linux Betriebssystems kann der FPGA geflasht werden und die Echtzeitprogramme auf einem CPU-Kern gestartet werden. Beide CPU-Kerne befinden sich dabei im AMP-Modus und Kommunizieren über asynchrone RAM-Fifos miteinander. Als Real-Time Betriebssystem kommt FreeRTOS zum Einsatz.

Das implementierte Tracer-Framework ermöglicht es, pro Regelungsplattform bis zu 500 Mbit/s per Ethernet an das selbst entwickelte Anzeigeframework LabAnalyser [1] zu übertragen. Dort können je nach Netzwerkkapazität bis zu 10 GBit/s an Daten visualisiert werden. Die GUI-Elemente, sowie die Verknüpfung dieser mit den Daten der Regelungsplattform lassen sich einfach per Drag & Drop erstellen.

Um einen schnellen Entwicklungsprozess zu ermöglichen, können die Regelungsalgorithmen direkt aus Simulink exportiert werden. Dabei stehen alle „Simulink Scopes“ automatisch in LabAnalyser zur Verfügung. Zudem bietet LabAnalyser eine einfache Schnittstelle zu Matlab, über die Daten sowohl gelesen als auch geschrieben werden können. So ist das Scripten vollautomatischer, reproduzierbarer Experimente möglich.

Heute befindet sich die Regelungsplattform in der vierten Generation und ist in allen aktuellen Forschungsprojekten (mit experimentellem Aufbau) eingesetzt. Einige Beispiele sind:

• Hochstrom-Pulsquelle [6 kA]
• Teststände zur automatischen Erzeugung und Auswertung von SIC und GAN Schaltvorgängen
• Netzregelung mit 3L-NPC in der Luftfahrt
• Regelung elektrischer Maschinen am 3L-NPC unter Nutzung optimierter Pulsmuster
• 250 kW SIC-Umrichter zum Betrieb am 690V Netz mit 250 kW Si-Motorstromrichter
• Teststand zur Tj-Messung am geregelten System
• 100 kA Stomquelle
• M3C Regelung

Weiterführende Publikationen:

• [1] https://github.com/ConverterLabs

Ansprechpartner:

Das thermische Verhalten von leistungselektronischen Systemen wird durch die thermische Impedanz beschrieben. Diese Parameter ist häufig Bestandteil des Datenblattes der jeweiligen Komponenten (Module, Kühlkörper, etc.) und bewertet die Erwärmung des Systems in Abhängigkeit der Verlustleistung und der Zeit. Im Gesamtsystem werden Einzelkomponenten zu komplexen Systemen zusammengeschaltet. So besteht die Kühlkette aus dem Leistungshalbleiter, dem thermischen Übergangsmaterial (Paste/Pad) und der entsprechenden Kühlung (Luft-, Phasen- oder Flüssigkeitskühlung). Aufgrund der entsprechenden Verkopplung kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Impedanz und eine Simulation/Messung des Gesamtsystems ist notwendig.

© @M.Kretzschmar

Dazu verfügt die Professur für Leistungselektronik verfügt über einen leistungsfähigen Teststand zur thermischen Charakterisierung von Leistungshalbleitern inklusive dessen Kühlung. Die Sperrschichttemperatur wird dabei indirekt durch das Einprägen eines kleinen Messstromes und Messung des resultierenden Spannungsabfalls erfasst. Durch galvanisch getrennte Messstromquellen und Spannungsmesseinrichtungen können mit einer einzelnen Messung bis zu sechs Sperrschichttemperaturen gleichzeitig erfasst werden. Dies ermöglicht es neben dem Kühlpfad auch die jeweiligen Kopplungen zu erfassen. Weitere Thermoelemente können an verschiedenen Stellen montiert und erfasst werden.

Der Aufbau des Teststandes ermöglicht die Charakterisierung kompletter leistungselektronischer Systeme inklusive dessen Kühlung.

Ausgewählte technische Daten:

• Laststrom: 50 … 1500 A
• Messstrom: 10 … 1250 mA (±0,5 mA)
• Spannungsmessung: ±5 V (≥10 Bit)
• Abschaltgeschwindigkeit des Laststromes ≈ 35 A/µs (Abhängig vom Aufbau)

© @Prof.LE

Ansprechpartner:

© @M.Kretzschmar

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Dipl.-Ing. Dirk Rudolph

E-Mail senden

Eine verschlüsselte E-Mail über das SecureMail-Portal versenden (nur für TUD-externe Personen).

Kontaktinformationen

Organisationsname

Professur Leistungselektronik

Professur Leistungselektronik

Adresse work

Besuchsadresse:

Görgesbau, Raum 306 Helmholtzstraße 9

01069 Dresden

work Tel.

Als experimentelle Basis für den Forschungsschwerpunkt Stromrichternahe Regelung wurde ein 5 kW Antriebsteststand konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen.

© TUDLE

© TUDLE

Ziel bei der Entwicklung des Teststands war es, konventionelle und neuartige Steuerungs- und Regelungsverfahren für elektrische Antriebe und aktive Gleichrichter sowie die Auslegung von Leistungsteilkomponenten experimentell untersuchen zu können. Entwurf und Aufbau des Teststands erfolgten an der Professur, da am Markt kein Teststand verfügbar war, der den speziellen Anforderungen gerecht wurde. Diese sind vor allem dadurch gekennzeichnet, dass ein einfacher Austausch verschiedener Netzfilter möglich sein sollte, sowohl PWM-basierte als auch gleitregimebasierte Verfahren untersucht werden können und dass der Teststand auch für Lehrzwecke einsetzbar ist. Notwendig war somit die Entwicklung eines robusten, frei, einfach und schnell zu programmierenden Teststands, dessen Aufbau, Dimensionierung und Schnittstellen bekannt sind.

© TUDLE

Ausgewählte technische Daten

• 400 V, 5 kW Asynchronmaschine
• 420 V, 4,75 kW Gleichstrommaschine einschließlich Umkehrstromrichter
• 400 V, 15 kVA Spannungszwischen-kreisumrichter (f_s = 2–16 kHz) mit Bremschopper
• Netzanbindung: direkt an das 400V-Netz oder optional über einen 0–400 V Stelltrafo
• Netzfilter: induktiv oder LCL-Filter
• Regelungsumgebung: dSpace DS1103 (fast prototyping system)

Einordnung des Forschungsprojekts und Motivation:

© @Prof.LE

Der Einsatz neuartiger Halbleiter, zum Beispiel von IGBT Modulen mit Siliziumkarbiddioden, konnte die Leistungsdichte von Umrichtern, beispielsweise für dezentrale Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, in den letzten Jahren deutlich steigern. Für viele moderne Konzepte ist jedoch eine verbesserte Absicherung gegenüber Störfällen nötig. So kann das Verteilnetz einen hohen Kurzschlussstrom liefern, der bei einem Fehlerfall zu Zerstörung der Halbleitermodule in einem solchen Umrichter führen kann.

Ein möglicher Parameter zur Beschreibung der Widerstandsfähigkeit von Halbleitern gegen einen auftretenden, hohen Strompuls im Fehlerfall ist das sogenannte Grenzlastintegral I²t. Dieses ist nur bei einer Stromform genau definiert: einer Halbsinusschwingung mit einer Periodendauer von 8,3 ms (entspricht 60 Hz) oder 10 ms (50 Hz). In der Praxis können jedoch verschiedene Stromformen auftreten, von mehreren aufeinanderfolgenden Halbsinusschwingungen über Kondensatorentladeströme bis hin zu (zeitlich begrenzten) DC-Strömen. Eine Überlagerung mehrerer Signalformen ist ebenfalls denkbar.

Um die Wirkung verschiedener Stromformen auf Halbleiterbauelemente untersuchen und neuartige Schutzkonzepte prüfen zu können, wurde im Zuge des SAB-Projektes SBGL ein neuartiger, modularer I²t-Teststand mit frei programmierbarer Ausgangsstromform aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen.

Beschreibung des Teststands:

© @Prof.LE

© @Prof.LE

Der Teststand besteht aus 16 Einzelzellen, mit je zwei Halbbrücken, die über Kupferschienen miteinander verbunden sind. Jede Zelle speist somit 1/16 des Gesamtstromes in die Verschienung ein. Der Gesamtstrom ergibt sich daraus erst im Testobjekt (DUT). Dieses könnte ein Halbleiterbauelement oder auch eine Schutzeinrichtung sein.

Große Vorteile des modularen Aufbaus ergeben sich aus der vergleichsweise geringen Strombelastung pro Zelle, sowie der hohen effektiven Schaltfrequenz. Ein Stromripple ist auf den gemessenen Stromverläufen i. A. nicht mehr erkennbar, da er in der Größe des Messrauschens, z.B. der verwendeten Rogowski-Spule, liegt. Die Stromregelung bringt weitere Vorteile mit sich: So ist im Fehlerfall (Versagen des DUT) kein höherer Kurzschlussstrom zu erwarten, als der ohnehin eingestellte Laststrom.

Der Teststand hat zwei Betriebsmodi: Im Hochstrommodus werden die Halbbrücken in den Zellen alle parallel betrieben. Es ergibt sich ein Ausgangsstrom von bis zu 100 kA. Im Dynamischen Modus werden die Halbbrücken je Zelle als Vollbrücke betrieben. Es ergibt sich ein Ausgangsstrom von bis zu ± 50 kA.

Ausgewählte technische Daten:

• Modular aufgebautes System
• Frei einstellbare Stromformen
• Zwei Betriebsmodi
• Ausgangsströme bis 100 kA Spitze
• Gespeicherte Energie: ≈ 100 kJ

Untersuchungsziele:

Der Teststand dient der Untersuchung des Grenzlastintegrals I²t von Leistungshalbleitern und Schutzeinrichtungen, insbesondere bei verschiedenen Stromformen.

Ansprechpartner:

© @M.Kretzschmar

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Dr.-Ing. Stefan Wettengel

E-Mail senden

Eine verschlüsselte E-Mail über das SecureMail-Portal versenden (nur für TUD-externe Personen).

Kontaktinformationen

Organisationsname

Professur Leistungselektronik

Professur Leistungselektronik

Adresse work

Besuchsadresse:

Görgesbau, Raum 307 Helmholtzstraße 9

01069 Dresden

work Tel.