Entwurf und Aufbau eines Multi-Phasen Traktionsumrichters im Niederspannungsbereich hinsichtlich einer zukünftigen Serienproduktion

Von:

Benjamin Rubey

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In dieser Arbeit werden vier verschiedene Abstraktionsebenen (Grundlagen, Hardwarearchitektur, Konstruktion und Simulation) im Rahmen des Entwicklungsprozesses eines Traktionsumrichters im Niederspannungsbereich betrachtet. Das Ziel der Arbeit ist ein in ein Maschinengehäuse integrierter Umrichter, welcher die Anforderungen der ISCAD (Intelligent Stator Cage Drive) Technologie erfüllt. Die elektrische Maschine ist bereits konstruiert worden. Ein besonderer Fokus liegt auf einem modularen Design aus identischen Halbbrückenelementen, um die maximale elektrische Ausgangsleistung durch Variation der Phasenanzahl zu verändern. Nach der Vorstellung heute zur Verfügung stehender Technologien leistungselektronischer Komponenten und des ISCAD Konzepts werden die Hardwarearchitektur, die Methodik und die Leiterplattendesigns näher beleuchtet. Eine ausführliche Untersuchung zeigt hierzu den Einfluss von Integrationsstufen der Halbleiterelemente auf die Realisierbarkeit und die maximale elektrische Leistungsdichte. Ausgehend von der gegebenen Hardwarearchitektur und der Leiterplattenentwürfe illustriert der zweite Abschnitt die Aufbau- und Verbindungstechnik des Umrichters, sowie dessen Kühlung. Der Abschnitt umfasst die Darstellung der mechanischen Anordnung der Subkomponenten, wobei eine detailliertere mechanische Betrachtung (thermischer Stress, Vibrationen, Schock etc.) nicht gegeben ist. Die dritte Abstraktionsebene beleuchtet den Umrichter aus elektrischer und thermischer Sicht auf Basis mehrerer Simulationsmodelle. Hierzu zählen insbesondere die parasitären Effekte (aufgrund des dominanten Einflusses auf die elektrische Performance), das thermische Management, sowie die Alterung der Verbindungselemente.