MA – Spannungsbalancierung in einem Flying-Capacitor Umrichter mit hoher Stufenzahl

Effiziente und störarme Leistungselektronik ist ein elementarer Bestandteil der Energie- und Mobilitätswende. Die immer weiter verbreiteten Wide-Band-Gap-Halbleiter ermöglichen höhere Schaltgeschwindigkeiten und niedrige Durchlassverluste und erreichen damit ungekannte Wirkungsgrade von Wandlern und Wechselrichtern.

Wechselrichter sind üblicherweise über Filter (Netz) oder direkt (Antrieb) an ihre Last angeschlossen. Ein wichtiges Kriterium ist dabei die Qualität von Ausgangsspannung und -strom im Bereich der Schaltfrequenz, relevant für die Oberwellenverluste in Filter und Last – und im MHz-Bereich, relevant für die EMV. Mit Multi-Level-Topologien lässt sich entsprechend der Stufenzahl die Ausgangsspannungsqualität durch niedrigere Spannungszeitflächen aufgrund kleinerer Spannungshübe und höherer effektiver Schaltfrequenzen erhöhen.

Besonders vorteilhaft erscheinen Flying-Capacitor Wechselrichter mit hoher Stufenzahl (z.B. 7-13), da bei in der Industrie und Automotive weit verbreiteten Zwischenkreisspannungen bis 800 V besonders günstige und niederohmige Niedervolt-GaN-Schalter mit 100-200 V Sperrspannung (z.B. EPC 2367) verwendet werden können und aufgrund der hohen effektiven Schaltfrequenz ein kompaktes Filter für einen nahezu Oberwellen-freien Ausgangsstrom genügt.

Am LEE soll ein solcher Wechselrichter realisiert werden. Eine der anzugehenden Herausforderungen für einen wirtschaftlichen Einsatz ist die Beherrschung der Komplexität in der Ansteuerung und Regelung, insbesondere zur Balancierung der Kondensatorspannungen. Im Rahmen der Masterarbeit sollen Verfahren zur Realisierung einer robusten und effizienten, aber gleichzeitig einfachen und kostengünstigen Spannungsbalancierung untersucht und das vielversprechendste Verfahren experimentell verifiziert werden. Mögliche Ansätze sind z.B. ein Regeleingriff in die Pulsmuster, passive Filternetzwerke oder eine Signalinjektion zum Ausgleich der Kondensatorspannungen sein.

Bearbeiter: Christian Batzel

Betreuer: Amler, Adrian

Verantwortlicher:  Prof. Dr.-Ing. Martin März