Hochspannungs-IGBTs in resonant betriebenen, mehrsystemfähi­gen MF-Topologien

Projektbeschreibung

In modernen Traktionssystemen für Schienenfahrzeuge stellt der 16,7 Hz Transformator das größte und schwerste Bauteil dar. Eine Reduktion des Gewichtes geht immer mit einer Erhöhung der Kupfer- und Eisenverluste einher.
Im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit Bombardier Transportation, Standorte Görlitz und Mannheim, wird ein neues, modular aufgebautes Stromrichtersystem untersucht. Grundgedanke ist dabei die Potenzialtrennung mittelfrequent, also mit Transformatoren deren Betriebsfrequenz bei 5…10 kHz liegt, durchzuführen. Durch die Frequenzerhöhung kann das Transformatorgewicht bei gleichzeitig erhöhtem Wirkungsgrad erheblich gesenkt werden.
Im Fokus der Untersuchungen am Lehrstuhl Leistungselektronik stehen dabei die Hochspannungs-IGBTs, mit denen die hohe Betriebsfrequenz der Transformatoren realisiert werden soll. Die Forschungsarbeiten umfassen dabei topologische Untersuchungen des DC/DC-Konverters, Verlustmessungen der IGBTs im Leistungslabor, Untersuchung der Ansteuerung (Gate Drive Unit) inklusive eines neuartigen Stromversorgungskonzeptes sowie der Regelung und Steuerung des Gesamtkonverters.
Ziel des Projektes ist es bei einem Doppelstock-Triebzug, in dem der neue Konverter eingesetzt werden soll, das Gewicht des Antriebsstranges um über 1 t zu reduzieren, während gleichzeitig der Energieverbrauch um ca. 6 % gesenkt wird. Die so eingesparte elektrische Energie entspricht pro Zug dem jährlichen Haushaltsbedarf von etwa 220 Personen.

Entstandene wissenschaftliche Publikationen

• Aceiton, R.; Weber, J.; Bernet, S.: Level-Shifted PWM for a multilevel traction converter using a state composer. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2012

• Lindenmüller, L.; Alvarez, R.; Bernet, S.: Optimization of a Series Resonant DC/DC Converter for Traction Applications. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2012

• Lindenmüller, L.; Bernet, S.; Kleinichen, P.: A novel topology to characterize high voltage IGBTs in a soft switching converter. Semiconductor Conference Dresden (SCD), 2011

• Lindenmüller, L.; Alvarez, R.; Kleinichen, P.; Bernet, S.: Characterization of a 6.5 kV / 500A IGBT module in a series resonant converter. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011

• Lindenmüller, L.; Kleinichen, P.; Ditmanson, C.; Alvarez, R.; Bernet, S.: Loss reduction in a medium frequency series resonance converter by forced evacuation. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2013

• Kleinichen, P.; Alvarez, R.; Buschendorf, M.; Bernet, S.: Turn-on loss reduction of 6.5kV/500A trench/field-stop IGBTs using a simple GDU. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2013

Kontakt

Dr.-Ing. Lars Lindenmüller, Dipl.-Ing. Philipp Kleinichen