MA – HV-Spannungswandler für Luftfahrtanwendungen

Entwicklung der Leistungsstufe eines HV-Spannungswandlers für Luftfahrtanwendungen

Kurzzusammenfassung

Die elektrische Antriebstechnik in Kombination mit der Bereitstellung elektrischer Energie über Brennstoffzellen stößt vor allem vor dem Hintergrund der immer strikteren Emissions-ziele auch in der Luftfahrt auf zunehmendes Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Gleichspannungswandler entwickelt, welcher die stark lastabhängige Spannung und das träge dynamische Verhalten der Brennstoffzelle an das konstante Spannungsniveau einer Puffer-Batterie anpasst. Um die geforderten Antriebsleistungen im Megawatt-Bereich er-reichen zu können, wurde eine Ausgangsspannung von 3,6 kV gewählt. Durch Verwendung neuartiger Siliciumcarbid-Leistungshalbleiter konnte eine Schaltfrequenz von 70 kHz und somit ein kompakter und leichter Aufbau des Wandlers erreicht werden. Um vor dem Hinter-grund einer Reduzierung der Schaltverluste möglichst hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen zu können, wurde eine leistungsfähige und störfeste Ansteuerschaltung für die Leistungsschalter entwickelt. Bei den abschließenden Tests wurden neben dem Wirkungs-grad des Wandlers auch überschlägig die Schaltenergien der verwendeten Siliciumcarbid-MOSFETs bestimmt.

Abstract

Since meeting emission goals is becoming more and more challenging, interest in the implementation of electrical drives and fuel cell technology in aviation is rising. The presented thesis explains the development of a DC/DC-converter-prototype which adapts the load-dependent and slow fuel cell characteristic to the constant voltage-level of a buffer-battery. In order to reach the required drive power of several megawatts an output voltage of 3,6 kV was chosen. Utilizing novel silicon-carbide semiconductors allows a compact and lightweight design of the converter. Furthermore the implementation of a powerful and interference-resistant gate-drive-circuit was crucial to achieve fast switching speed and consequently lower the switching losses of the silicon-carbide MOSFETs. The evaluation of the converter included the measurement of the efficiency as well as an approximate calculation of the switching-energy of the power switches.

Bearbeiter: Max Gerner

Betreuer: Otto Kreutzer (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761193; Email: Otto.Kreutzer@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März