Förderprojekt:

K-AXFLUX-H2 ist ein Forschungsvorhaben der Technischen Hochschule Augsburg (Prof. Dr.-Ing. André Baeten, Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik) in Kooperation mit der Universität Augsburg. Gefördert wird das Vorhaben im Rahmen der Holistischen Air Mobility Initiative Bayern. Das Labor für Leistungselektronik der Hochschule München hat im Auftrag der TH Augsburg den Stromrichter für den Antrieb entwickelt.

Projektbeschreibung:

Ziel des Vorhabens ist ein elektrischer Antrieb für Regionalflugzeuge auf Basis einer leichtbauoptimierten Axialflussmaschine. Die Maschine wird mit kryogenem Wasserstoff gekühlt, der im Brennstoffzellen-Antriebsstrang ohnehin als Energieträger an Bord ist und damit eine Doppelfunktion übernimmt. Auf diese Weise sollen die hohen Leistungsanforderungen der Luftfahrt bei geringem Gewicht erfüllt werden.

Aufgabe des Labors für Leistungselektronik war die vollständige Neuentwicklung eines sechsphasigen Wechselrichters auf Basis von Siliziumkarbid (SiC), der die Maschine im gesamten Betriebsbereich antreiben kann. Die Arbeiten umfassten die Auslegung, die mechanische Konstruktion, das Leistungsteil, die Gatetreiber und die Ansteuerung bis hin zur Charakterisierung und Inbetriebnahme. Der Umrichter ist als zwei unabhängige dreiphasige Systeme aufgebaut, deren Ausgangsspannungen sich in Amplitude, Frequenz und gegenseitiger Phasenlage frei vorgeben lassen, wie es die sechsphasige Wicklung der Axialflussmaschine erfordert.

SiC-MOSFETs ermöglichen gegenüber Silizium-IGBTs deutlich geringere Schaltverluste, höhere Schaltfrequenzen und höhere zulässige Sperrschichttemperaturen. Für die Luftfahrt bedeutet das kleinere Kühlkörper und passive Bauelemente und damit eine höhere Leistungsdichte.

Aufbau des Umrichters:

Leistungsteil: Das Leistungsteil basiert auf wassergekühlten SiC-Halbbrückenmodulen. Wo immer möglich, kommen Standardbauteile zum Einsatz, um die Systemkosten gering zu halten und bei Lieferengpässen auf alternative Hersteller ausweichen zu können.

Zwischenkreis auf Leiterplattenbasis: Der Zwischenkreis ist mit Folienkondensatoren auf einer mehrlagigen Leiterplatte realisiert. Großflächig überlappende DC+- und DC−-Lagen bilden einen besonders niederinduktiven Kommutierungspfad zu den Leistungsmodulen. Ausgelegt wurde der Zwischenkreis vor allem auf eine hohe Strombelastbarkeit.

Gatetreiber mit integrierter Messtechnik: Jeder Halbbrückentreiber kapselt neben der Ansteuerung auch die Messung von Phasenstrom, Phasenspannung und Modultemperatur. Die Messwerte werden in Anlehnung an die industrielle 4–20-mA-Technik als eingeprägte Ströme übertragen und sind damit besonders störfest. Die isolierte Treiberversorgung erfolgt über in die Leiterplatte integrierte Planartransformatoren. Ein zweistufiges Schutzkonzept aus Kurzschlusserkennung im Treiber und einer davon unabhängigen Hardware-Überstromabschaltung schützt die Leistungsmodule auch dann, wenn die Software noch in Entwicklung ist. Erkannt werden Übertemperatur, Überstrom, Kurzschluss und Unterspannung der Versorgung.

Schnittstellen: Der Umrichter bietet galvanisch getrennte Benutzerschnittstellen (CAN, UART, SPI und PWM), eine Lichtwellenleiter-Verbindung für Inbetriebnahme und Parametrierung, einen Resolver-Eingang zur Erfassung der Rotorlage sowie ein potentialgetrenntes Fehlersignal. Die Hilfsenergie wird über eine separate Versorgung nach Luftfahrtstandard zugeführt. Die Verriegelungszeit zwischen den Schaltsignalen ist einstellbar.

Experimentelle Validierung:

Doppelpulstest: Das dynamische Schaltverhalten der Leistungsmodule wurde an einem automatisierten Doppelpuls-Prüfstand charakterisiert. Die Messgeräte werden per Skript angesteuert, die Gate-Pulsfolgen erzeugt ein FPGA und die Modultemperatur wird über ein Kältethermostat geregelt. In einer begleitenden Abschlussarbeit wurde das Modul über den gesamten relevanten Spannungs-, Strom- und Temperaturbereich vermessen und daraus ein Schaltverlustmodell für die Umrichtersimulation abgeleitet.

Kurzschlussverhalten: SiC-MOSFETs zeigen nicht die ausgeprägte Entsättigung bipolarer Bauelemente, was die Kurzschlusserkennung erschwert. Die Detektionsschaltung wurde deshalb so angepasst, dass sie den schnellen Stromanstieg im Fehlerfall zuverlässig erfasst. In Versuchen mit einem direkten, niederinduktiven Kurzschluss wurde der Fehler sicher erkannt und der Schalter zuverlässig abgeschaltet.

Gesamtsystem: Anschließend wurde der Umrichter als Gesamtsystem an wassergekühlten Lastdrosseln betrieben. Die Einspeisung deckt dabei nur die Verluste, sodass hohe Scheinleistungen auch mit einer vergleichsweise kleinen Quelle geprüft werden können. Da bei MOSFETs auch während der Freilaufphase der Strom über den Kanal fließt, werden dieselben Bauelemente belastet wie im realen Betrieb. Darüber hinaus wurde der Umrichter mit einer U/f-Steuerung an einer Asynchronmaschine in Betrieb genommen.

Ausblick:

Als nächste Schritte folgen der Betrieb an der Axialflussmaschine der TH Augsburg mit feldorientierter Regelung und Resolver-Rückführung, die Erweiterung des Fehlermanagements um eine Übertemperaturabschaltung sowie die Verifikation der Phasenspannungsmessung als Grundlage für einen sensorlosen Betrieb.