Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Elektromagnetische Auswirkungen schnellschaltender Wide-Bandgap-Halbleiter auf Antriebssysteme und ihre Vorausberechnung auf Basis von Geometriedaten

Das Projekt beschäftigt sich mit den elektromagnetischen Auswirkungen auf Antriebssysteme durch neuartige Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG), die ein deutlich schnelleres Schalten gegenüber konventionellen Si-Halbleitern ermöglichen. Dadurch können die Verluste und das Bauvolumen signifikant reduziert werden, was diese Technologie insbesondere für Systeme mit hohen Anforderungen an die Leistungsdichte, wie in der Elektromobilität, interessant macht. Dem gegenüber stehen kritische hochfrequente Anregungen durch die steilen Schaltflanken, was zu einem erhöhten Aufwand im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit führt.

Das Forschungsziel ist daher die Entwicklung einer Methodik, mit der die elektromagnetischen Störungen, die durch den Einsatz von WBG-Materialien in einem Antriebssystem hervorgerufen werden, und sinnvolle Gegenmaßnahmen im Voraus berechnet und bewertet werden können. Dabei sollen die Geometrie- und Materialdaten der Komponenten und der Anordnung als Grundlagen dienen. Die Einzelkomponenten können jedoch nicht isoliert voneinander betrachtet werden, sondern ihr Zusammenwirken im Gesamtsystem ist entscheidend.

Der Lösungsweg lässt sich gliedern in die Abschnitte Modellbildung der Einzelkomponenten, Vorausberechnung der Effekte im System, messtechnische Validierung anhand eines Referenz-Traktionsantriebs, sowie Untersuchung von Maßnahmen zur Verbesserung der EMV.

Vor allem für klein- und mittelständische Unternehmen (KMU) ist es sehr schwer abzuschätzen, welche zusätzlichen Auswirkungen diese neue Technologie auf den gesamten elektrischen Antrieb besitzt und welche neuen Anforderungen daraus an die Komponenten gestellt werden. Die Projektergebnisse liefern eine fundierte Grundlage für die Entwicklung von Produkten mit WBG-Halbleitern.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsprojekt „Elektromagnetische Auswirkungen" beschäftigt sich mit den elektromagnetischen Auswirkungen schnellschaltender, in Umrichtern und Wechselrichtern verwendeter Wide-Bandgap-Halbleiter auf Antriebssysteme. Die immer schneller schaltenden WBG-Halbleiter verursachen steilere Spannungs- (du/dt) und Stromflanken (di/dt), die zu hochfrequenten Anregungen und der Erhöhung von Gleichtaktströmen führen, was unter anderem den Aufwand für Filtertechnik stark erhöht. Die Probleme die durch die WBG-Halbleiter entstehen, führen häufig noch im späteren Entwicklungsprozess zu kosten- und zeitkritischen Systemänderungen. Daher ist das Ziel dieses Projekts, die Effekte in einem frühen Stadium der Entwicklung vorauszuberechnen, und effiziente Abhilfemaßnahmen zu definieren. Der ausführliche Schlussbericht beinhaltet die Modellerstellung der Leistungselektronik, der Motorzuleitung, des Motors und verschiedener Filter. Dabei wird das Hauptaugenmerk auf die Extraktion der parasitären Elemente gelegt, die die Gleich- und Gegentaktströme stark beeinflussen. Nachdem diese Komponenten einzeln vorgestellt wurden, werden diese zu einem Gesamtsystem verschaltet, um Simulationen durchzuführen. Es folgt eine Validierung der Simulationsergebnisse anhand von Messungen. Auf die Validierung folgend, werden Verbesserungen an der Modellierung vorgenommen, als auch Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet, die unter anderem Geometrie und Kabellängen betreffen. Abschließend werden erneut messtechnische Untersuchungen durchgeführt, die der Validierung der neuen Modelle und der getroffenen Abhilfemaßnahmen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit dienen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.