Leistungselektronik

Kernthemen:

• Halbleiter-Leistungselektronik
• Prototypen-Entwicklung
• Mehrpegelenergiewandler
• Modulationsverfahren
• Rekonfigurierbare Batteriesysteme

Kurzbeschreibung:

Die Energieeffizienz des elektrischen Antriebsstranges hat maßgeblichen Einfluss auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Ein in der Literatur häufig diskutierter Ansatz, die Energieeffizienz zu erhöhen, ist die Verwendung von Modularen Multilevel-Umrichtern, auch Mehrpegelenergiewandler oder Multilevel-Inverter genannt.

Bei Multilevel-Umrichtern handelt es sich um leistungselektronische Systeme, welche am Ausgang stufenförmige Spannungen ausgeben. Als Quelle kann eine Lithium-Ionen Zelle verwendet werden. Die Batteriezelle wird mit Halbleiterschaltern ausgestattet und diese rekonfigurierbare Batteriezelle wird mit Anderen gleicher Art seriell und parallel verschaltet.

Bei der Ermittlung der Verluste spielen sowohl die parasitären Elemente der Zelle als auch der MOSFETs eine entscheidende Rolle. Um die Verluste zu optimieren, ist daher eine tiefgreifende Analyse des Schaltvorganges sowie ein optimales Design der Schaltung notwendig.
 

Die Analyse auf Systemebene hinsichtlich Verschaltung der Zellen sowie Ansteuerung aller integrierter Halbleiter-Elemente ist ein Forschungsschwerpunkt in der Forschungsgruppe. Neben der Hardware hat auch das Ansteuerverfahren der Leistungsschalter maßgeblichen Einfluss auf die Form und Güte der Ausgangsspannung. Idealerweise besitzt die Ausgangsgröße eine perfekte Sinusform, um den Wirkungsgrad des Elektromotors zu maximieren.

Entsprechende Ansteuerverfahren, auch Modulationsverfahren genannt, werden dabei grundsätzlich in Verfahren basierend auf niederfrequenter sowie hochfrequenter Modulation eingeteilt, wobei sich diese ebenfalls vielfältig weiter unterteilen lassen. Gängige Ansteuerverfahren sind hierbei beispielsweise die Pulsweitenmodulation (PWM) oder die Raumzeigermodulation.

Die Analyse solch gängiger sowie zahlreicher weiterer Verfahren stellt ein weiteres Forschungsgebiet der Forschungsgruppe ELS im Bereich der Leistungselektronik dar. Neue Halbleitermaterialien (SiC, GaN) bieten dabei zusätzliche Freiheitsgrade (z.B. höhere Schaltfrequenz). Des Weiteren wird die praktische Implementierung innovativer Modulationsverfahren möglich.

In der Forschungsgruppe ELS wird daher unter Verwendung neuester Halbleitertechnologien die Leistungselektronik für neuartige Multilevel-Umrichter Topologien entwickelt und bezüglich ihrer Effizienz evaluiert.