Forschungsschwerpunkte - Weitere Projekte

  • Hochtemperatur-Elektronik

    Ein aktueller Trend in der Leistungselektronik ist es, Elektronik bei hohen Umgebungstemperaturen zu betreiben. Einerseits um neue Anwendungen zu ermöglichen (z.B. in Verbrennungsmotoren), andererseits auch um die Leistungsdichte in Systemen zu erhöhen, so dass weniger Kühlkörpervolumen zur Verfügung steht. Dies erfordert neben dem Einsatz moderner Bauelemente (sowohl passiver als auch aktiver) und Werkstoffe auch ein thermisches Management, welches an die Randbedingungen angepasst ist. Durch den Einsatz von Isolierflüssigkeiten und angepassten Kühlkörpergeometrien werden aktuell am Institut leistungselektronische Systeme für den Einsatz bei einer Umgebungstemperatur von 125°C entwickelt.

  • Integration von Treiberstufen für Hochleistungshalbleiter

    Gate-Commutated-Thyristoren (GCTs) stellen aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften im Bereich hoher Leistungen eine interessante Alternative zu den weitverbreiteten Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs) dar. Da ihre Ansteuerung allerdings deutlich aufwendiger ist, ist die dazugehörige Treiberstufen komplexer und größer. Darüber hinaus müssen GCTs auch direkt in der Treiberplatine montiert werden, um ein sicheres Abschalten zu gewährleisten. Daraus ergeben sich einige Nachteile im praktischen Einsatz, die in diesem Projekt gelöst wurden.

    Neben der Steuerlogik, der Energieversorgung, der Kommunikationseinheit und der Einschaltstufe kommt der Ausschalteinheit auf GCT-Treiberstufen eine besondere Bedeutung zu. Die Notwendigkeit einer niederinduktiven Gate-Ansteuerung und die hohen Pulsströme während des Ausschaltvorgangs bedingen eine Parallelschaltung von vielen Kondensatoren und MosFETs, die in unmittelbarer Nähe des Hochleistungshalbleiters platziert werden müssen. Durch den Einsatz von MosFETs in neu entwickelten Gehäuseformen (DirectFETs) und Multischicht-Keramikkondensatoren können diese in das GCT-Gehäuse integriert werden, so dass sich ein Internally-Commutated-Thyristor (ICT) ergibt. Neben einer drastischen Vereinfachung der Treiberstufen ist es folglich auch nicht mehr notwendig diese in unmittelbarer Nähe des GCTs zu platzieren. Zusätzlich wird ein verbessertes Abschaltverhalten und eine geringere Leistungsaufnahme der Treiberstufen beobachtet. Durch die universelle Einsetzbarkeit der Ansteuerschaltung, kann eine Optimierung auf die jeweilige Applikation erfolgen.

  • Optimierte Energieversorgung für unterirdische Heizsysteme

    In Kooperation mit einem Industriepartner werden am ISEA Maßnahmen zur Effizienzsteigerung der Energie-Versorgung von großräumig verteilten Heizsystemen zur Rohstoffgewinnung untersucht. Es werden die Eigenschaften aller wichtigen Komponenten, darunter Transformatoren, Zuleitungen, Thyristor-gesteuerte Leistungsregler und die fortschrittlichen Heizelemente selbst analysiert. Neben Systemen für den Oberflächeneinsatz wird die Arbeit auf Energiewandlungssysteme für den Einsatz im Bohrloch zur Versorgung individueller Heizelemente fokussiert. Komponenten für den Einsatz bei erhöhten Umgebungstemperaturen werden untersucht; besonderes Augenmerk liegt hier auf den Leistungshalbleitern und Magnetmaterialien. Erfolgversprechende Konzepte werden simulativ verglichen. Verschiedene Modellierungsmethoden werden eingesetzt, um thermische und elektromagnetische Schwachstellen frühzeitig identifizieren zu können. Ziel ist die Entwicklung und Vermessung einer Hardware, die als Energieversorgung für den Bohrloch-Einsatz geeignet ist.

  • Umrichter für Piezoaktoren

    In Bereichen, in denen die Dynamik oder Präzision herkömmlicher mechanischer Systeme nicht mehr ausreicht, setzen sich zunehmend Piezoaktoren durch. Unter Verwendung des inversen piezoelektrischen Effekts können Piezoaktoren Kräfte von mehr als 6.000 N bei einer theoretisch unbegrenzten Genauigkeit erzeugen. Elektrisch gesehen verhalten sich Piezoaktoren wie eine Kapazität, deren Klemmenspannung proportional zur Auslenkung ist. Nachteilig ist, dass diese Prozesse nichtlinear und stark hysteresebehaftet sind. Ein Umrichter zur Ansteuerung von Piezoaktoren muss daher nicht nur die nötige Stromtragfähigkeit aufbringen, um den Aktor mit der gewünschten Dynamik anzusteuern, sondern auch die entsprechende Genauigkeit. Hierbei sind entsprechende Maßnahmen zur Hysteresekompensation zu treffen, die, besonders beim gesteuerten Betrieb, relativ aufwendig sein können. Anwendungsspezifisch müssen nicht nur die Verstärkertypen sondern auch die Sensoren und Regelalgorithmen speziell ausgewählt und optimiert werden.

    Am ISEA werden Umrichter für diese speziellen Anforderungen entwickelt. Die Umrichter werden, einschließlich der dazugehörigen Regelung, auf die speziellen Anforderungen angepasst. Abhängig von der Anwendung gibt es hier keine Standardlösung und so ist eine enge Zusammenarbeit mit den Herstellern piezoelektrischer Aktoren eine Voraussetzung für die erfolgreiche Arbeit in diesem Bereich.

  • Berührungslose Energieübertragung

    Konventionell werden zur Energieübertragung von stehenden auf sich bewegende Objekte Schleifkontakte verwendet. Der entscheidende Nachteil von Schleifkontakten ist ihr prinzipbedingter Verschleiß. Aber auch bezüglich der erreichbaren Geschwindigkeiten und der erlaubten Arbeitsumgebungen bringen kontaktbehaftete Übertragungssysteme Nachteile mit sich. So können Verschmutzungen die Funktionalität von Schleifkontakten empfindlich stören

    Das ISEA beschäftigt sich mit der Entwicklung induktiver Energieübertragungen. Hierbei wird basierend auf dem Induktionsprinzip Energie über das magnetische Nahfeld übertragen. Vereinfacht können induktive Übertrager als Transformator mit großem Luftspalt dargestellt werden. Primär beschäftigt sich das ISEA mit der Energieübertragung von nicht rotierende auf rotierende Körper. Eine Herausforderung hierbei stellt die, bedingt durch den Luftspalt, sehr große Streuinduktivität dar, die geeignet kompensiert werden muss.

Abbildung 1 Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 2 Abbildung 3 Abbildung 3 Abbildung 4 Abbildung 4