Praktikum zum Thema: Untersuchung zur Isolationskoordination von Mittelspannungsumrichtern mit hochsperrenden 15 kV SiC-MOSFETs

Seit geraumer Zeit wird an der Entwicklung von SiC-Bauelementen mit Sperrspannungen weit über 6,5 kV geforscht. Es gibt auch erste Prototypen hierzu und es laufen europaweit unterschiedliche Forschungsprojekte, die die Chancen und Risiken für die Anwendung dieser Bauelemente untersuchen und es werden dabei auch erste Umrichter aufgebaut. Mit SiC-Transistoren lassen sich prinzipiell verlustärmere Umrichter entwickeln, die durch die deutlich höheren Schaltfrequenzen auch höhere Leistungsdichten aufweisen können. Die hohen Sperrspannungen und Spannungssteilheiten bis zu 200 kV / μs stellen aber die herkömmliche Isolationstechnik vor große Herausforderungen. Im Rahmen dieser Arbeit sollen daher Materialien untersucht und Konstruktionskonzepte für für die zukünftigen Anforderungen der SiC-Leistungselektronik in der Mittelspannung entwickelt werden. Hierfür soll in einem ersten Schritt die Isolationsfähigkeit von unterschiedlichen Keramiksubstraten untersucht werden. Es soll ein Messaufbau bis zu 30 kV entwickelt werden, mit dem in einem ersten Schritte die Leckströme durch die Keramik in Abhängigkeit der Temperatur erfasst werden sollen. Der Testaufbau soll für einen Betrieb an Luft, aber auch in Öl konzipiert sein, um in einem zukünftigen Schritt auch zusätzliche Tests zu ermöglichen. Untersuchungen zu Teil- und Gleitentladungen können auch Teil dieser Arbeit werden. Dies hängt von der zeitlichen Verfügbarkeit hierfür notwendiger Materialproben ab. Ausgehend von Messergebnissen und Materialrecherchen soll ein erstes Konstruktionskonzept für einen Leistungsstack mit Zwischenkreisspannungen bis zu 40 kV entworfen werden. Hierbei müssen sowohl unterschiedliche Eigenschaften der Isolationsmaterialien (Luft, Öl, Kunststoff, Keramik) berücksichtigt werden, wie auch parasitäre Eigenschaften der Schaltung (kapazitive und induktive Effekte). Die Konstruktion des Stacks wird auch thermisch simuliert, um mögliche Schwachstellen der Materialwahl oder notwendige Anforderungen an die Kühlung des Stacks besser beurteilen zu können.