Verbundvorhaben: HGÜ Projekt - Leistungselektronik mit höherer Energieeffizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit

Projektinhalt:
Zuerst werden für die Projektpartner die anlagenrelevanten Betriebspunkte und Fehlerszenarien für eine HGÜ-Systemintegration definiert. Ziel ist die Definition eines zuverlässigen Anlagenbetriebs bei Einsatz eines RC-IGBTs unter Beachtung der besonderen RC-IGBT-Ansteuerungsanforderungen. Mit der Universität Rostock werden die zu erforschenden Ziele eng abgestimmt. Die benannten Anlagenziele werden zudem an der Universität Rostock für das Thema Innovationspfade für den RC-IGBT der Zukunft verwendet. Zum Schluss des Projekts werden die Ergebnisse der Universität Rostock herangezogen, um den Aufwand bei Einsatz eines RC-IGBTs zu bewerten. Weiterhin werden die Ergebnisse des Themas der Universität Rostock Innovationspfade für den RC-IGBT der Zukunft bewertet. Heutige am Markt verfügbare IGBT-Module erfüllen die speziellen HGÜ-Anforderungen nur, weil Zusatzkomponenten den Anlagenbetrieb im Fehlerfall sicherstellen. Fällt ein Standard-IGBT-Modul aus, dann muss dieses durch einen mechanischen Kurzschließer überbrückt werden, sodass ein zuverlässiges Fortsetzen des Anlagenbetriebs möglich ist. Ziel ist, diesen wegfallen zu lassen. Dazu werden an den Partner lnfineon Technologies AG die HGÜ-spezifischen Anforderungen definiert. lnfineon Technologies AG wird im Projektverlauf einen Demonstrator herstellen. Bei der Siemens AG soll dieser Demonstrator im Fehlerfall erforscht werden. Zu diesem Zweck wird auch ein HGÜ-Submoduldemonstrator aufgebaut, an dem das Fehlerverhalten unter realen Bedingungen erforscht wird.

Das Teilvorhaben der Universität Rostock umfasst schwerpunktmäßig zwei Aspekte: Die Ansteuerung rückwärts leifähiger IGBT (RC-IGBT) und die Erforschung von Innovationspfaden für den RC-IGBT der Zukunft. Im Vergleich zu konventionellen IGBT ist die Ansteuerung von RC-IGBT erheblich anspruchsvoller. Weil die Konzentration des Elektronen-Loch-Plasmas des im Dioden-Modus betriebenen RC-IGBT stark von der angelegten Gate-Emitter-Spannung abhängig ist, muss das Gate im IGBT-Modus eingeschaltet, im Dioden-Modus ausgeschaltet werden. Im Zuge dieses Teilvorhabens ist zu erforschen, wie der Dioden- vom IGBT-Modus mit geringem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit unter Berücksichtigung von Wandlertoleranzen und Signallaufzeiten unterschieden werden kann. Zu erforschen ist auch die Dynamik des Elektronen-Loch-Plasmas bei Stromnulldurchgängen und die sich daraus ergebene Anforderungen an die Dynamik der Betriebs-Modi-Erkennung. Dabei müssen sowohl betriebsmäßige Vorgänge als auch Fehlerzustände mit einbezogen werden. Die Steuerung der Plasmakonzentration über das Gate bietet das Potential, den RC-IGBT in Abhängigkeit vom Betriebsmodus des Umrichters und vom Einbauplatz des RC-IGBT innerhalb des MMC-Submoduls in einem Zustand geringer Durchlassspannung aber höherer Ausschalt- bzw. Reverse-Recovery-Verlustenergie oder in einem solchen mit höherer Durchlassspannung aber niedriger Ausschalt- bzw. Reverse-Recovery-Energie zu betreiben. Erforscht werden sollen Konzepte, die diese Steuerbarkeit im Diodenmodus verbessern und die vor allem auch eine Steuerbarkeit im IGBT Modus ermöglichen.

Im Teilvorhaben von lnfineon gilt es den vorhanden Grundaufbau des RC IGBTs massiv zu verändern und zu erweitern, um für die speziellen Anforderungen der HGÜ Anwendung den Schritt hin zu einem druck-kontaktierten RC IGBT vorzubereiten. Chip-Metallisierungen sind zu erforschen, so dass sie zusammen mit dem neuen Verbindungssystem ein robustes und zuverlässiges Kontaktsystem bilden. Darüber hinaus gilt es Montage- und Kontaktierungskonzepte für druckfeste Aufbauten zu finden. Die wissenschaftliche und technische Aufgabe ist es, die verschiedenen Grenzflächen und Schichtparameter zu untersuchen und aufeinander abzustimmen, damit sie unter Druck und starken thermischen Variationen den extremen Belastungen standhalten. Schutz gegen Umwelteinflüsse und Maßnahmen zur gleichmäßigen Druckbelastung im Gehäuse sind u.a. herausfordernde Ziele mit hohem Innovationsgrad und technischen Risiken, um die spätere sichere Funktion des Bauelements in der Applikation vorzubereiten.