Vollmodularer Hochstrom-Gleichrichter mit variabler Ausgangsspannung auf Basis einer vereinfachten MMC-Topologie mit Resonanzwandlern

• Antragsteller: Dr.-Ing. Frank Schafmeister
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456097802

Heutige Hochstrom-Gleichrichter z. B. für die Wasserstoff-Elektrolyseure sind durch ein beträchtliches Bauvolumen, durch eine hohe Eingangsstromverzerrung (THDi) und durch einen festen, nicht einstellbaren Leistungsfaktor gekennzeichnet. Ziel dieses Projekts ist die Konzeption einer neuartigen Schaltungsstruktur für einen potenzialtrennenden Hochstrom-Gleichrichter mit variabler Ausgangsspannung (142-220V) für den MW-Bereich. Hierzu sollen Grundansätze des Modularen Multi-Level-Konverters (MMC) verfolgt und entsprechend erweitert werden: Insbesondere die netzseitige Nutzung von Vollbrückenmodulen charakterisiert dabei den vorgeschlagenen Ansatz (hier "MMC-4" genannt). Weiterhin wird jedes mit SiC-Schaltelementen bestückte Modul auf der Lastseite durch einen Resonanztank und einen Mittelfrequenztransformator (Resonanzwandler) ergänzt. Dort werden durch das weiche Schalten der SiC-Leistungshalbleiter die Verluste enorm reduziert und höhere Schaltfrequenzen ermöglicht, so dass die passiven Bauelemente in ihrer Größe schrumpfen. Als Endziel wird für den Hochstrom-Gleichrichter ein durchschnittlicher Wirkungsgrad von 98 % über einen weiten Lastbereich bei etwa 30 % der Baugröße moderner Standard-Lösungen angestrebt, während gleichzeitig die Eingangs-THDi von etwa 9 % auf 3 % gesenkt und darüber hinaus eine einstellbare Blindleistung für das Netz ermöglicht wird. Im Vergleich zu aktuellen MMC-basierten Demonstratoren, die von den Antragstellern aufgebaut wurden, verringert sich die Anzahl der Module und damit die Systemkomplexität mit dem vorgeschlagenen MMC-4-Ansatz um 50 %. Folglich müssen die Resonanzwandler (LLC) der verbleibenden Module ausgeprägte Hochleistungsanforderungen erfüllen. In Anbetracht des anscheinenden Potenzials für eine zukünftige industrielle Umsetzung des MMC-4-Konzepts soll im Projekt eine besondere Aufmerksamkeit auch auf die Analyse und Verbesserung der Robustheit gerichtet werden – dies sowohl auf Ebene der eingesetzten physikalischen Komponenten als auch auf Systemebene durch Erforschung neuer, resilienter Betriebsstrategien. Auf diese Weise kann das Projekt zu einer effizienten und ressourcenschonenden Wasserstofferzeugung der Zukunft beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen