Leistungselektronik


Die Arbeitsgruppe Leistungelektronik erforscht Möglichkeiten zur Optimierung von leistungselektronischen Systemen, insbesondere durch den Einsatz neuartiger Steuerverfahren für Umrichter.

The power electronics working group investigates possibilities for the optimization of power electronic systems, in particular by the use of new control algorithms for inverters.

 

Bidirektionale Schnellladestation für Elektrofahrzeuge

Bidirectional charging Station for electric vehicles

Die ungeregelte, wetterabhängige Einspeisung von Photovoltaikanlagen in das Energienetz sorgt für einen immensen Ausbaubedarf der Elektrizitätsversorgungsnetze. Dieser Ausbau kann durch den gezielten Einsatz von Speichersystemen stark reduziert werden. Die Untersuchung der technischen Möglichkeiten, um Elektrofahrzeuge und auch Plug-In Hybridfahrzeuge, die über einen enorme Speicherkapazität verfügen, als Speichersysteme einzusetzen, wird somit unabdingbar. Innerhalb der vom fahrzeuginternen Batteriemanagementsystem vorgegebenen Grenzen kann der Fahrzeugakkumulator über verbrauchsgesteuerte Lade- und Entladesignale effektiv in zukünftige V2G-Systeme integriert werden. Um die technischen Möglichkeiten einer solchen Technologie auszuloten, wurde in der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Würzburg – Schweinfurt der Prototyp einer V2G-fähigen, bidirektionalen Schnellladestation für Elektrofahrzeuge entwickelt.

The combination of “electric mobility” and “renewable energy production” heavily demands for energy storage systems. Investigations of technical possibilities to use electric vehicles (ev) and so called plug-in hybrid electric vehicles (phevs), containing a relevant amount of storage capacity, as storage systems are inalienable. Within the limits given by the car’s battery management system consumption-driven charge and discharge signals could be used for effective integration in future V2G systems.

AG Netzstromrichter-Prototyp einer bidirektionalen Ladestation

 

Umrichter in Hybridstruktur

Power Inverter in hybrid structure

Ein aktueller Technologietrend in der Leistungselektronik ist der verstärkte Einsatz von aktiven Bauteilen, wodurch die Anzahl und Größe der benötigten passiven Bauelemente reduziert werden soll. Mit diesen Gedanken vor Augen wurde eine neuartige Topologie entworfen, welche im Bild unten dargestellt ist. Diese Topologie des Hybridumrichters besteht im Wesentlichen aus zwei Stromrichtern (A und B) in klassischer B6-Anordnung. Sie können für ihre jeweilige Aufgabe individuell ausgelegt und optimiert werden. Stromrichter A stellt das nicht-ideale Nutzsignal iA für die Last bereit und muss für deren maximale Leistung dimensioniert sein. Stromrichter B liefert einen Strom iB, der die Oberschwingungen im Strom iA derart kompensiert, dass zur Last ein möglichst idealer Nutzstrom iL fließen kann. Stromrichter B muss folglich nur für den Oberschwingungsstrom ausgelegt werden, der in der Regel deutlich kleiner ist als der maximale Nutzstrom ^iA; max. Andererseits muss Stromrichter B hardwaremäßig und regelungstechnisch in der Lage sein, die Oberschwingungen mit der erforderlichen Dynamik ausregeln zu können.

Today’s power electronic converters are always associated with undesirable harmonics due to the adherent switched mode of semiconductor devices. It has always been a major concern to reduce these harmonics to a feasible level for the particular application. Different approaches are suited to overcome this challenge. In the beginning optimum pulse patterns, higher switching frequencies and passive filter elements have been investigated. Cost savings and the ongoing trend towards miniaturization in power electronics force the passive components either to be more integrated or being replaced by active ones. The proposed hybrid two-converter system follows the trend of new semiconductor devices (SiC) by combining them with conventional switches to reduce harmonics. For this purpose, the system consists of two parallel-connected inverters. The main inverter uses IGBT’s and carries the major (fundamental) load current. Due to its high power capacity its switching frequency is quite low (~ 10kHz) and causes current ripples. In contrast the auxiliary inverter is only used to compensate the ripple current. This requires low power capacity, enables small die size but needs a higher dynamic performance and therefore higher switching frequencies (~ 100kHz). For this reason, SiC-MOSFET’s are selected for the auxiliary inverter. Since there is no electrical isolation neither on the DC nor on the AC side, circulating currents can flow. They should be minimized by the control algorithm since they create losses but do not reduce any harmoics in the load current.

Stromrichter mit Silizium-Carbid MOSFET