Effizienzerhöhung von Multilevel-basierten HVDC-Übertragungen

Die steigende Nachfrage nach regenerativer Energie in urbanen Räumen sorgt für eine immense Belastung des vorhandene Wechselstromnetzes. Die Hochspannungsgleichstromübertragung sorgt hier für eine verlustarme Energieübertragung über lange Strecken und ermöglicht damit eine dezentrale Energieversorgung. Sie wird eine zentrale Rolle in der zukünftigen Energieübertragung spielen. Der Modulare Multilevel Konverter fungiert dabei als Schnittstelle zwischen Gleich- und Wechselspannungsnetz.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Effizienzerhöhung bzw. der Reduktion der elektrischen Verluste im Betrieb eines Modularen Multilevel Konverters. Die Halbbrücke ermöglicht dabei die höchste Leistungsübertragung in Bezug auf die verbaute Halbleiterfläche und bildet in dieser Arbeit den zentralen Untersuchungsgegenstand. Während des regulären Betriebs liegt eine stärkere Belastung der unteren Halbleiter in der Halbbrücke vor, welche sich zwischen den Anschlusslaschen befinden. Untersucht wird der parallele Betrieb einer Scheibenzellendiode zur vorhandenen Moduldiode und die vollständige Substitution dieser mittels eines Verlustleistungsmodells, welches die mittleren Verluste eines Submoduls in Abhängigkeit der Übertragungsleistung und des Lastwinkels beschreibt. Mit Hilfe neuartiger Scheibenzellendioden und optimierten Schaltvorgängen können die Gesamtverluste beim Einsatz gleicher Chipfläche um ca. 20 % reduziert werden. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist die Verwendung von Siliziumkarbid für die Hochspannungsgleichstromübertragung. Die Verluste werden hier auf Basis eines aktuellen 3300 V MOSFET für die Halb- und Vollbrücke untersucht. Zudem wird eine Abschätzung zur zukünftigen Entwicklung der Leistungsfähigkeiten von Siliziumkarbid Bauteilen gegeben. Speziell für die Hochspannungsgleichstromübertragung wird dabei auf die Frage der Sperrspannungsklasse mit der höchsten spezifischen Leistung eingegangen.