LHUVkraft - Verbundprojekt: Leistungshalbleiter- und Umrichter-Innovationen zur verlustoptimierten und leistungsstarken Energieerzeugung mit Windkraft; Teilvorhaben: Innovative und leistungsstarke Power Stacks für den Einsatz in Windenergieanwendungen

Abstract

Im Rahmen des Teilvorhabens wurde ein modulares, skalierbares Power-Stack-Design entwickelt, das flexibel an unterschiedliche Anwendungen und Systemspannungen angepasst werden kann. Besonderes Augenmerk lag auf der Optimierung für SiC-Bauelemente, die aufgrund hoher Schaltflanken sensitiv auf parasitäre Induktivitäten reagieren. Durch ein induktionsoptimiertes Zwischenkreis-Design konnten Schaltüberspannungen und EMV-Probleme reduziert werden. IGBT- und SiC-Varianten wurden elektrisch und thermisch vermessen sowie mittels Simulation hinsichtlich Sperrschichttemperaturen und maximaler Ausgangsströme untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass SiC-Power Stacks eine deutlich höhere Leistungsdichte sowie kompaktere und leichtere Filtersysteme ermöglichen und damit technische wie wirtschaftliche Vorteile für Windenergieanlagen bieten. Eine Wirkungsgrad- und Sperrschichttemperaturmessung eines IGBT- und SiC-Umrichters erfolgte an einem 7,5-MVA-Back-to-Back-Teststand, der praxisnahe und reproduzierbare Analysen erlaubt. Zusätzlich wurde eine Fallstudie zu Voll- und Teillastumrichtern durchgeführt, bei der IGBT- und SiC-Konzepte hinsichtlich Wirkungsgrad, Lebensdauer und Annual Energy Production (AEP) verglichen wurden. Die Untersuchung verdeutlicht das Potenzial von SiC-Technologie zur Effizienzsteigerung und Systemoptimierung moderner Windenergieanlagen.