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Fakultät für Ingenieurwissenschaften

Lehrstuhl Mechatronik – Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran

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Auszeichnungen

Hier sehen Sie eine Collage zu den Auszeichnungen am Lehrstuhl.

Im Jahr 2020

Dr.-Ing. Patrick Hofstetter erhält den Young Engineer Award 2020Einklappen

Das Komitee der PCIM Europe, unter dem Vorsitz von Prof. Dr. Leo Lorenz, ECPE, Deutschland, bestimmte aus über 370 Einreichungen die besten drei. Dr.-Ing. Patrick Hofstetter vom Bayreuther Lehrstuhl für Mechatronik darf sich zu den glücklichen Gewinnern des PCIM Young Engineer Award 2020 zählen.

Die PCIM Europe ist die international führende Fachmesse und Konferenz für Leistungselektronik, Intelligente Antriebstechnik, Erneuerbare Energie und Energiemanagement. Hier treffen sich Vertreter aus Industrie und Wissenschaft, hier werden Trends und Entwicklungen erstmals der Öffentlichkeit präsentiert, hier wird die gesamte Wertschöpfungskette abgebildet - von der Komponente bis zum intelligenten System.

Der Young Engineer Award wird an herausragende Beiträge von jungen Ingenieurinnen und Ingenieuren (bis 35 Jahre) vergeben. Bewertet wurden die Qualität des Inhalts, der Neuigkeitsgehalt sowie die Aktualität und der Praxisbezug. Mit seinem Beitrag „Parasitic Turn-On of SiC MOSFETs - Turning a Bug into a Feature“ konnte Hofstetter das Komitee der PCIM Europe überzeugen. In der Veröffentlichung wird ein neues Licht auf den bisher ungewollten Effekt des parasitären Einschaltens von Leistungshalbleitern (hier: SiC MOSFETs) geworfen. Während es bisher Ziel war, diesen Effekt komplett zu eliminieren, wird gezeigt, dass ein kurzes parasitäres Einschalten die Möglichkeit bieten kann, die Einschaltverluste deutlich zu reduzieren. Hierdurch kann schließlich die Effizienz des Umrichters erhöht werden und so z.B. die Reichweite von Elektroautos erhöht werden.

Aufgrund der Pandemiesituation wurde die Konferenz in diesem Jahr digital durchgeführt. Während dies auf der einen Seite den Nachteil hatte, dass die Verleihungszeremonie ausfallen musste, hatte es auf der anderen Seite den Vorteil eines sehr großen Publikums, mit der Folge, dass sich über 750 Zuhörerinnen und Zuhörer für die Session des Vortrags angemeldet hatten. Entsprechend aktiv war die anschließende Diskussion und zahlreich die positiven Rückmeldungen zu dem Beitrag.

Dr.-Ing. Patrick Hofstetter war vom 1. Januar 2017 bis 31. Dezember 2019 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bayreuth am Lehrstuhl für Mechatronik von Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran. In seinem Forschungsprojekt beschäftigte sich Hofstetter mit Fragen zur optimalen Ansteuerung, Schutz und Robustheit von SiC MOSFETs in den Umgebungsbedingungen eines Traktionsumrichters. Innerhalb dieser Forschung entstand die mit dem Award ausgezeichnete Arbeit.

„Herr Dr. Hofstetter hat eine herausragende wissenschaftliche Leistung als wissenschaftlicher Mitarbeiter gezeigt, insofern freut mich die Krönung durch den Young Engineer sehr, weil es die Anerkennung durch die Fachcommunity nochmals unterstreicht.“, äußert sich der Doktorvater Prof. Bakran des Preisträgers.

Im Jahr 2019

M.Sc. Johannes Häring erhält VDE Preis 2019Einklappen
M.Sc. Johannes Häring erhält den VDE Preis 2019

Im Rahmen der VDE Preisverleihung wurde Herr M.Sc. Johannes Häring für die beste Abschlussarbeit in der Kategorie Wissenschaft mit dem VDE Preis ausgezeichnet.

In seiner Masterarbeit mit dem Titel „Evaluierung von Ansteuerstrategien für den fehlertoleranten Active Neutral Point Clamped Wechselrichter“ beschäftigte er sich mit der Eignung des 3-Level Active Neutral Point Clamped (ANPC) Wechselrichters als fehlertolerante Wechselrichtertopologie, vorrangig für den Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Um den Wechselrichter nach Ausfall eines Halbleiterschalters weiterhin in einem degradierten Modus betreiben zu können, wurde eine Strategie entwickelt, wie der Weiterbetrieb im Fehlerfall erfolgen soll. Dazu mussten sowohl die Eigenschaften der Fehlerstelle als auch die Auswirkungen auf den Antrieb untersucht werden. Das hierfür entworfene Verfahren wurde simulativ bestätigt, wobei Untersuchungen in unterschiedlichen Arbeitspunkten einer permanent erregten Synchronmaschine durchgeführt wurden.

Aufgrund der sehr hohen fachlichen Qualität und auch der sehr selbstständigen und strukturierten Arbeitsweise wurde die Masterarbeit von Herrn Häring mit der Note 1,0 bewertet.

Betreut wurde die Abschlussarbeit von Dr.-Ing. Michael Gleißner und Prof. Dr.-Ing. Mark Bakran, Leiter des Lehrstuhls für Mechatronik.

Bei Interesse an einer Abschlussarbeit im Bereich Leistungselektronik können Sie sich gerne an unsere wissenschaftlichen Mitarbeiter wenden. Aktuelle Abschlussarbeitsthemen können Sie hier finden.

Im Jahr 2018

Teresa Bertelshofer gewinnt die ZF Electric Innovation Challenge 2018Einklappen
Dipl.-Ing. Teresa Bertelshofer gewinnt die ZF Electric-Innovation-Challenge 2018.

Mit ihrer Arbeit „The Scalable SiC Inverter“ gewann Teresa Bertelshofer die ZF Electric Innovation Challenge 2018 in Schweinfurt. Die Challenge wurde von ZF ins Leben gerufen, um die Entwicklung in der Elektromobilität weiter voranzutreiben. ZF fördert hiermit innovationsstarke Ideen von Unternehmen, Start-Ups- und Hochschulteams.

Im Rahmen eines sogenannten Pitch-Events unter dem Namen „Electric Innovation Challenge“ lobte ZF in den drei Kategorien E-Motor, Inverter und Elektrischer Achsantrieb jeweils eine Fördersumme von 100.000,00 € aus.

Teresa Bertelshofer setzte sich unter zahlreichen Bewerbern durch und konnte die Jury in der Kategorie Inverter von Ihrer Arbeit überzeugen.

Der Einsatz von SiC Halbleitern verspricht eine Erhöhung des Wirkungsgrades des elektrischen Antriebes und eine damit verbundene Senkung der Batteriekosten bei gleichbleibender Reichweite von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen. Hauptargument gegen den Einsatz von SiC stellt dabei der höhere Preis im Vergleich zu etablierten Si-basierten Halbleitern dar und die damit verbundene Frage, ob dieser Kostennachteil durch einen verbesserten Wirkungsgrad kompensiert werden kann. Dies ist besonders anspruchsvoll, wenn – wie bis jetzt üblich – Power Module verwendet werden: Diese sind zum jetzigen Zeitpunkt äußerst kostspielig, da der Preis zum einen natürlich die Gewinnmarge des Modulherstellers beinhaltet, und zum anderen die geringe Fertigungsstückzahl und der geringe Konkurrenzdruck ausschlaggebend sind.

Der Beitrag „The Scalable SiC Inverter“ beschäftigt sich mit einem alternativen Ansatz zur Etablierung von SiC MOSFETs in automobilen Antriebsinvertern. Statt auf Power Module können Inverterhersteller auf die Verwendung von diskreten Halbleitern aus der Massenproduktion zurückgreifen. Durch Parallelschaltung einer leicht skalierbaren Anzahl dieser diskreten Bauteile kann die Inverterleistung kundenspezifisch angepasst werden – eine kostspielige Überdimensionierung der Chipfläche, wie es oft bei der Verwendung des nächst passenden Power Moduls der Fall ist, wird somit verhindert.

Weiterhin wird durch die Anwendung eines neuartigen Gruppierungsalgorithmus erzielt, dass alle Chips im Inverter im Betrieb eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufweisen, selbst wenn diese Chips Bauteilcharakteristika am Rand der im Datenblatt definierten zulässigen Grenzen aufweisen. Der Ausschuss wird somit im Gegensatz zu üblichen Selektionsverfahren minimiert und die verbaute Chipfläche wird weiterhin optimal ausgenutzt. Diese Maßnahmen minimieren die Kosten für die SiC Halbleiter und somit für den ganzen Inverter.

Die Preisträgerin ist seit Dezember 2014 wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Bayreuth am Lehrstuhl für Mechatronik von Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran. In ihrem Forschungsprojekt „Wide Bandgap Halbleiter in automobilen Antriebsumrichtern“ beschäftigt sie sich mit den Vorteilen und den Herausforderungen, die der Ersatz von etablierten Si Halbleitern mit SiC MOSFETs beim Hauptantriebsinverter in der 400V Spannungsklasse mit sich bringt.

Dipl.-Phys. Stefan Hain und M.Sc. Patrick Hofstetter belegen Platz 1 beim Infineons Incredicle SiC Race 2018Einklappen
Dipl.-Phys. Stefan Hain und M.Sc. Patrick Hofstetter gewinnen einen weltweiten Wettbewerb

Team vom Lehrstuhl Mechatronik gewinnt einen weltweiten Wettbewerb

„Ready, SiC, Go!” Dieses Infineon-Rennen ist kein gewöhnliches – es geht nicht um die schnellsten Beine, sondern um die hellsten Köpfe und besten Ideen. Der von Infineon Austria initiierte, weltweite Wettbewerb „Infineon`s Incredible SiC Race“ ist ein neuer Ansatz, innovative Ideen zum Thema „moderne Leistungshalbleiter“ zu gewinnen. Im Mittelpunkt steht dabei das neue Halbleitermaterial Siliziumkarbid, welches als wide-band-gap Material dem herkömmlichen Silizium in vielen Aspekten weit überlegen ist. Der Zieleinlauf fand nun bei Infineon in Villach statt.

Teilnehmer aus zwölf Nationen und 20 Universitäten

65 Studierende, Doktoranden und Doktoren aus zwölf Nationen – unter anderem aus Österreich, Italien, Deutschland, Dänemark, USA, China und Brasilien – und von mehr als 20 Universitäten waren vom 26. Februar bis 2. März 2018 zu Gast bei Infineon. Eine ganze Woche lang besuchten die Teilnehmer – im Rahmen einer „WinterSchool“ – Vorlesungen von internationalen Expertinnen und Experten zu Siliziumkarbid. Und sie hatten die Möglichkeit, Infineon und Kärnten näher kennenzulernen. Die Gewinner des „SiC Race“-Wettbewerbs wurden gekürt und kommen von der Universität Bayreuth aus Deutschland.

Schnelle Kurzschlussdetektion erlaubt Leistungssteigerung

Mit ihrer innovativen Idee zur Leistungssteigerung von SiC-Halbleitern, konnte sich das Team der Universität Bayreuth gegenüber den anderen Finalisten aus China und den USA durchsetzen. Dabei ist die Grundidee sehr einfach, wie es Dipl.-Phys. Stefan Hain, Doktorand am Lehrstuhl Mechatronik beschreibt: „Heute verfügbare SiC-MOSFETs sind in ihrer Eigenschaft den Strom verlustarm leiten zu können sehr eingeschränkt, da die Halbleiter so aufgebaut werden müssen, dass diese auch den hohen Fehlerstrom in einem Kurzschlussereignis für einige Mikrosekunden aushalten können, bis eine entsprechende Detektionsschaltung reagiert. Dadurch kann das Potential, das ein SiC-Halbleiter bietet, nicht vollständig ausgeschöpft werden“. Die Lösung für dieses Problem, welche am 28. Februar der vierköpfigen Jury von Infineon vorgestellt wurde, besteht dabei aus einer extrem schnellen Kurzschlussdetektionsmethode, welche in der Lage ist, den Fehlerfall bereits nach wenigen Nanosekunden zu detektieren und den Halbleiter abzuschalten, wodurch die Kurzschlussbelastung für den Transistor stark reduziert wird. Dies ermöglicht den Halbleiterherstellern wie Infineon Technologies, hocheffiziente SiC-Halbleiter zu fertigen, da der Kurzschlussschutz nicht mehr durch den Halbleiter, sondern vollständig von der neuen 2D-Detektionsmethode übernommen wird. Diese Idee der Effizienzsteigerung belohnte Infineon beim internationalen „SiC Race“-Wettbewerb mit dem ersten Platz, einem Preisgeld von 2000 Euro und einer zukünftigen Kooperation, in der erarbeitet wird wie die neuartige 2D-Kurzschlussdetektionsmethode in den Treiberbaustein von Infineon integriert werden kann.

Innovative Köpfe sollen neuen Wind zu Infineon bringen

Sabine Herlitschka, Vorstandsvorsitzende von Infineon Austria: „Infineon Villach arbeitet als wesentlicher Entwicklungs- und Innovationsstandort im Konzern bereits seit längerem mit neuen Halbleiter-Technologien. Wir sehen in diesem Bereich ein enormes Wachstumspotenzial und der Konzern setzt mit einem globalen Kompetenzzentrum für neue Halbleitermaterialien auf Villach. Dazu gehört es auch, sich als Unternehmen frischen Input und neue Ideen ‚out of the box‘ zu holen. Mit außergewöhnlichen Aktivitäten wie etwa dem ‚SiC Race‘ bringen wir innovative Köpfe und Ideen zusammen.“

Experten aus aller Welt

Die Experten auf dem Gebiet der Siliziumkarbid-Forschung sind James A. Cooper von der Purdue Universität in Santa Fe (USA), Tsunenobu Kimoto von der Universität in Kyoto (Japan), Ulrike Grossner von der ETH Zürich (Schweiz) sowie Josef Lutz von der TU Chemnitz (Deutschland). Alle vier waren in Villach und hielten Vorträge im Rahmen der „WinterSchool“.

Globales Kompetenzzentrum in Villach

Der Infineon-Konzern setzt auf ein globales Kompetenzzentrum für Forschung, Entwicklung und Fertigung von Siliziumkarbid-Halbleitern in Villach. Diese Energiesparchips bilden die Grundlage für höchst effiziente, kleinere und leichtere Systemlösungen bei der Energiewandlung oder in der Elektromobilität. Aktuell werden die SiC-Energiesparchips von Infineon bereits in Schnellladestationen für Elektroautos oder Photovoltaikanlagen eingesetzt.

Bericht auch in der UBT-Aktuell Ausgabe 2018-2

Im Jahr 2017

Dr.-Ing. Marco Denk erhält den Young Engineer Award 2017Einklappen
Dr.-Ing. Marco Denk erhält Young-Engineer-Award 2017.

Der Young Engineer Award wird dreimal in Folge an den Lehrstuhl für Mechatronik verliehen

Auch dieses Jahr wurde der Young Engineer Award im Rahmen der Eröffnungsveranstaltung der PCIM Europe Conference in Nürnberg vom 16.-18. Mai 2017 verliehen. Die PCIM ist eine Fachkonferenz für Leistungselektronik, bei der sich mehr als 800 Teilnehmer in über 300 Vorträgen und Posterpräsentationen über innovative Entwicklungen aus der Industrie und der Wissenschaft informieren können. Über 10.000 Besucher aus aller Welt nutzen die Fachmesse vor allem als Informations- und Kommunikationsplattform aber auch als Basis für zukünftige Investitionsentscheidungen.

Gemeinsam mit dem Preisträger Dr.-Ing. Marco Denk gelang es dem Lehrstuhl für Mechatronik den PCIM Young Engineer Award nun das dritte Mal in Folge nach Bayreuth zu holen. Aus über 300 Einreichungen hat das Komitee der PCIM Europe unter dem Vorsitz von Prof. Dr. Leo Lorenz einen Gewinner des Best Paper Award und drei Gewinner des Young Engineer Award bestimmt. Ausschlaggebend bei der Auswahl der Gewinner waren die Aktualität und Relevanz der Thematik sowie der Praxisbezug. Der Young Engineer Award wird an herausragende Beiträge junger Ingenieure (bis 35 Jahre) vergeben und ist mit einem Preisgeld von 1.000,00 € dotiert.

Mit seinem Beitrag „IGBT Gate Driver with Accurate Measurement of Junction Temperature and Inverter Output Current“ präsentierte Dr.-Ing. Marco Denk erstmalig eine Ansteuerschaltung, welche neben dem einfachen Ein- und Ausschalten eines Leistungshalbleiters auch dessen Sperrschichttemperatur sowie dessen Laststrom misst. Für beide Messaufgaben wird der Leistungshalbleiter selbst als Temperatur- und Stromsensor verwendet. Die Sperrschichttemperatur wird aus dem auf der Chipoberfläche befindlichen internen Gatewiderstand abgeleitet, welcher während des regulären Wechselrichterbetriebes durch eine kurzzeitige Überlagerung der Steuerspannung mit einem hochfrequenten Identifikationssignal gemessen wird. Zur Bestimmung des Laststromes wird zusätzlich die Vorwärtsspannung des Leistungshalbleiters mit einem Kleinsignal-MOSFET ausgekoppelt. Bei dem betrachteten 275 A IGBT-Leistungshalbleiter zeigt die Vorwärtsspannung eine Stromempfindlichkeit von 6-9 mV/A. Das Strommessverfahren profitiert damit von einer Empfindlichkeit, die 20-mal größer ist als die eines adäquat dimensionierten Messwiderstandes. Im Gegenzug erfordert das auf der Vorwärtsspannung basierende Strommessverfahren eine zusätzliche Kompensation der Sperrschichttemperatur. Herr Dr. Denk begegnet dieser Thematik mit einer auf der Ansteuerschaltung implementierten Kennlinie und einem linear von der Sperrschichttemperatur abhängigen differentiellen Widerstand. Die Erprobung der Messverfahren in einem IGBT-Wechselrichter für E-Mobility Anwendungen in verschiedenen Betriebspunkten ergab einen systematischen Messfehler von 1-5%, sowie einen zufälligen Messfehler von ±1K und ±2,6A. Die entwickelte Ansteuerschaltung vereint damit eine ausreichend gute Messgenauigkeit mit minimalen Sensorkosten und stellt so eine optimale Lösung für Anwendungen in den Bereichen Zuverlässigkeit, Funktionale Sicherheit und Low-Cost dar. Für Leistungs-MOSFETs (Si oder SiC) erscheint das Messverfahren aufgrund der linearen Ausgangskennlinie sowie der bidirektionalen Stromführung noch vielversprechender zu sein.

Bei Interesse an einer Abschlussarbeit im Bereich Leistungselektronik können Sie sich gerne an unsere wissenschaftlichen Mitarbeiter wenden. Aktuelle Abschlussarbeitsthemen können Sie hier finden.

Bericht auch in der UBT-Aktuell Ausgabe 2017-2

Im Jahr 2016

M.Sc. Stephan Schafferhans erhält VDE Preis 2016Einklappen
M.Sc. Stephan Schafferhans erhält den VDE Preis 2016

Im Rahmen der Absolventenfeier der Universität Bayreuth wurde Herr M.Sc. Stephan Schafferhans für die beste Abschlussarbeit mit dem VDE Preis ausgezeichnet.

In seiner Masterarbeit mit dem Titel „Onboard-Alterungsidentifikation eines IGBT-Leistungshalbleitermoduls durch halbsinusförmige Systemanregung“ beschäftigte er sich mit Leistungshalbleitermodulen, die heute zum Beispiel in elektrischen Fahrzeugantrieben oder in Windenergieanlagen zum Einsatz kommen. Mit der Unterstützung des Lehrstuhls für Mechatronik gelang es ihm ein Verfahren zu entwickeln, mit dem man die Alterung eines Leistungshalbleiters oder dessen Kühlsystems schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt erkennen kann. Herr Schafferhans hat in seiner Arbeit das Diagnoseverfahren zunächst systemtheoretisch betrachtet und es dann experimentell mit Hilfe eines Laboraufbaus untersucht. Dabei konnten die messtechnischen Ergebnisse hervorragend seine theoretischen Vorarbeiten bestätigen.

Aufgrund der sehr hohen fachlichen Qualität und auch der sehr selbstständigen und strukturierten Arbeitsweise wurde die Masterarbeit von Herrn Schafferhans mit der Note 1,0 bewertet.

Betreut wurde die Abschlussarbeit von Dr.-Ing. Marco Denk und Prof. Dr.-Ing. Mark Bakran, Leiter des Lehrstuhls für Mechatronik.

Bei Interesse an einer Abschlussarbeit im Bereich Leistungselektronik können Sie sich gerne an unsere wissenschaftlichen Mitarbeiter wenden. Aktuelle Abschlussarbeitsthemen können Sie hier finden.

M.Eng. Marco Denk erhält den CTI Young Drive Experts Award 2016 Einklappen
Dr.-Ing. Marco Denk erhält CTI-Award 2016.

Im Rahmen des 15. CTI Symposiums für Fahrzeuggetriebe, HEV- und EV-Antriebe wurde am 7. Dezember 2016 die Doktorarbeit von Herrn Dr. Marco Denk mit dem „CTI Young Drive Experts Award 2016“ ausgezeichnet. Der mit 2000 Euro dotierte Preis steht unter der Schirmherrschaft des Bundesministers für Wirtschaft und Energie, Sigmar Gabriel und prämiert jährlich eine besonders herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Getriebe- und Antriebsentwicklung. Dieses Jahr durften drei Finalisten ihre Doktorarbeiten in Form von Pecha-Kucha-Präsentationen dem auf dem Symposium anwesenden Fachpublikum präsentieren. Ein „Applaus-Messgerät“ entschied schließlich über die Vergabe des begehrten CTI-Preises an den Bayreuther Wissenschaftler.

In seiner Doktorarbeit mit dem Titel „In-Situ-Zustandsüberwachung von IGBT-Leistungshalbleitermodulen mittels Echtzeit-Sperrschichttemperaturmessung“ entwickelte Herr Dr. Marco Denk eine intelligente IGBT-Ansteuerschaltung, welche neben dem einfachen Ein- und Ausschalten des Leistungshalbleiters erstmalig auch dessen Sperrschichttemperatur misst. Eine modifizierte IGBT-Treiberendstufe bestimmt hierbei die Temperatur des auf dem Leistungshalbleiter befindlichen internen Gatewiderstandes durch eine kurzzeitige Überlagerung der negativen Steuerspannung mit einem hochfrequenten Identifikationssignal. Das serientaugliche Messverfahren wurde erfolgreich in einem Spannungszwischenkreiswechselrichter eines Hybrid-Fahrzeuggetriebes implementiert und ermöglicht erstmalig tiefe Einblicke in den Betrieb eines Leistungshalbleiters in seinem realen Betriebsumfeld. Zur Erfassung von Betriebsdaten während längerer Testfahrten enthält die Ansteuerschaltung einen echtzeitfähigen Rainflow-Zählalgorithmus. Die damit berechneten Temperaturzyklen werden mit drei charakteristischen Kenngrößen parametriert und als Belastungshistogramm auf einem EEPROM gespeichert. Erfasst wird zudem der mit der Alterung eines Leistungshalbleitermoduls korrelierende Zustand des Chiplotes. Das hierfür entwickelte Diagnoseverfahren misst die alterungsbedingte Vergrößerung einzelner thermischer Widerstände in der Aufbautechnik eines Leistungshalbleitermoduls. Die Arbeit von Herrn Dr. Marco Denk eröffnet damit wertvolle Einblicke in den Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls und liefert damit neue Impulse für die Entwicklung zukünftiger elektrischer und hybrider Fahrzeugantriebe.

Bericht auch in der UBT-Aktuell Ausgabe 2017-1

Dipl.-Phys. Stefan Hain erhält. den Young Engineer Award 2016 Einklappen
Dipl.-Phys. Stefan Hain wird mit dem Young Engineer Award 2016 ausgezeichnet

Im Rahmen der Eröffnungsveranstaltung der PCIM Europe in Nürnberg vom 10.-12.05.2016, eine Fachkonferenz aus dem Bereich der Leistungselektronik, fand die jährliche Verleihung des Young Engineer Awards statt.

Die Qualität des Inhalts, der Neuigkeitsgehalt sowie die Aktualität und der Praxisbezug waren die Kriterien, in denen die Gewinnerbeiträge aus über 340 erstklassigen Einreichungen die PCIM Europe Konferenzdirektoren überzeugten. Bemerkenswert in diesem Jahr war die überaus hohe Qualität der Einreichungen junger Ingenieure. Daher waren erstmalig unter den insgesamt sechs Nominierten für den Best Paper Award auch vier Anwärter für den Young Engineer Award. Der Young Engineer Award wird an herausragende Beiträge junger Ingenieure (bis 35 Jahre) vergeben.

Herr Hain wurde für beide Preise nominiert und darf sich zu den glücklichen Gewinnern des Young Engineer Award zählen. Neben der Präsentation seines Beitrags auf der PCIM Europe Konferenz und der Veröffentlichung im Tagungsband, darf er sich über ein Preisgeld von 1.000 € freuen, welches von der INFINEON Technologies AG zur Verfügung gestellt wurde.

Mit seinem Beitrag “New Ultra Fast Short Circuit Detection Method Without Using the Desaturation Process of the Power Semiconductor” („Extrem schnelle Kurzschlussdetektion bei Leistungshalbleitern ohne Verwendung des Entsättigungsverhaltens“) konnte Herr Hain die Jury für sich gewinnen. In der Veröffentlichung wird eine innovative Methode vorgestellt, mit der es möglich ist einen Kurzschluss im Leistungshalbleiter extrem schnell zu detektieren und abzuschalten um diesen effektiv zu schützen. Bisherige Detektionsmethoden überwachen einen signifikanten Parameter des Halbleiterschalters wie Spannung und Strom um einen Fehlerfall zu erkennen. Diese Detektionstechniken besitzen aber entweder eine sehr lange Detektionszeit, wodurch der Halbleiter im Fehlerfall geschädigt werden kann, oder sind extrem aufwendig und teuer. Herr Hain umgeht diese Nachteile bei seiner Methode, indem das Verhalten zweier einfach zu messender Parameter gleichzeitig analysiert wird. Die Überwachung des IGBT-Zustandes in diesem zweidimensionalen Phasenraum gibt der neuen Detektionsmethode auch ihren Namen „2D – short circuit detection method“. Herrn Hain ist es durch diese innovative Idee gelungen mit einer sehr einfachen Detektionsschaltung einen beginnenden Kurzschluss nach ca. 20 ns zu detektieren und abzuschalten, noch bevor sich der Kurzschluss vollständig ausgebildet hat und das Modul schädigen kann. Damit ist diese Methode ca. 200-mal schneller als die bisher meist verwendete kommerzielle Detektionsschaltung. Die extrem schnelle Reaktion der 2D – Detektionsmethode führt dazu, dass Leistungshalbleiter nun nicht mehr robust gegen lange Kurzschlusszeiten sein müssen. Herr Hain hat es somit mit seiner Detektionsmethode geschafft, der Entwicklung von Leistungshalbleitern eine neue  Möglichkeit zu geben deren Leistungsfähigkeit deutlich zu erhöhen ohne dabei gleichzeitig die Kontrolle des Halbleiters bei einem Kurschluss zu gefährden.

Herr Dipl.-Phys. Stefan Hain ist seit Oktober 2011 akademischer Rat an der Universität Bayreuth am Lehrstuhl für Mechatronik von Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran. In seinem Forschungsprojekt „Leistungsfähigkeit und Kurzschlussschutz von modernen IGBTs in niederinduktiven Invertersystemen“ beschäftigt sich Herr Hain neben seiner prämierten 2D – Kurzschlussdetektionsmethode mit dem Schaltverhalten moderner IGBTs im Normal- und Kurzschlussfall, der Leistungsfähigkeit schnell schaltender Halbleiter in niederinduktiven Systemen sowie mit neuartigen, hochdynamischen und induktiven Strommessverfahren.

Bericht auch in der UBT-Aktuell Ausgabe 2016-2

Im Jahr 2015

Dipl.-Ing. André Schön erhält den VDE ETG Literaturpreis 2015Einklappen
Dipl.-Ing. André Schön erhält VDE ETG-Literaturpreis 2015

Für seine Arbeit “High Power HVDC-DC converters for the interconnection of HVDC lines with different line topologies” wurde Herrn Schön der ETG-Literaturpreis 2015 verliehen. Mit dem Literaturpreis der Energietechnischen Gesellschaft (ETG) innerhalb des Verbandes Deutscher Elektrotechniker (VDE) werden jährlich hervorragende Veröffentlichungen auf dem Gebiet der elektrischen Energietechnik ausgezeichnet, die eine Anerkennung für eine besondere wissenschaftliche und publizistische Leistung verdienen.

Herr Schön hat mit seiner Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Technologien für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HVDC) geliefert. Er stellt dabei sowohl eine aussichtsreiche neue Energiewandlungsschaltung zur Verbindung unterschiedlicher HVDC Ebenen vor und setzt diese gut verständlich in Relation zum Stand der Technik. Damit liefert er einen wertvollen Beitrag zum Gelingen der Energiewende.

So behandelte Herr Schön mit seinem Beitrag die hochinteressante Fragestellung im Rahmen der zukünftigen Struktur des Energieversorgungsnetzes, nämlich wie der Leistungsaustausch zwischen unterschiedlichen Hochspannungs DC-Netzen realisiert werden kann. Die Übertragung hoher Leistungen über weite Entfernungen auf Basis der Hochspannungsgleichstromübertragung stellt die effizienteste Art des Energietransportes dar. In dem Beitrag wird die Fragestellung behandelt, wie bei einer zukünftigen Netzstruktur die existenten unterschiedlichen HVDC-Spannungsebenen und auch unterschiedlichen HVDC-Topologien wie z.B. monopolare oder bipolare Übertragungen miteinander verbunden werden können. Dabei werden auch so wichtige Aspekte behandelt wie die Schutzfunktion, also das Fernhalten von Fehlern in einem HVDC-Netzabschnitt vom anderen Netzabschnitt. In der konkreten Ausführung der Verkopplung der HVDC-Netze werden zwei Arten von Umrichtern gegenüber gestellt, nämlich die Front-to-Front (F2F) Verbindung von zwei Multilevel HVDC-Umrichtern sowie eine neuartige Anordnung eines HVDC-Spartransformators. Dabei wird jeweils gezeigt, welche Anordnungen nötig sind, um bei unterschiedlichen Netztopologien auch einen Betrieb im Redundanzfall zu gewährleisten. Anschließend konzentriert sich der Beitrag vor allem auf die Auslegung und die jeweiligen Eigenschaften für den Weiterbetrieb unter Netzfehlerbedingungen wie z.B. dem Ausfall eines DC-Pols. Für alle Szenarien werden die unterschiedlichen Schaltungen miteinander verglichen und bewertet bezüglich der zu installierenden Umrichter und auch Transformatorleistung. Dabei weist die vorgestellte neuartige Anordnung des HVDC-Spartransformators jeweils das beste Verhältnis aus Nutzleistung zu Umrichtergröße auf.

Die Arbeit von Herrn Schön hebt sich vor allem dadurch vom Umfeld ab, dass sie nicht nur eine aussichtsreiche neue Schaltung für die Energiewandlung auf Hochspannungsebene vorstellt, sondern diese auch bewertet. Die Bewertung erfolgt unter praxisgerechten Gesichtspunkten wie die Eigenschaften im Netz und bezieht sich vor allem auch auf den wirtschaftlichen Aufwand.

Von 2011 bis 2015 forschte Herr Schön am Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Bayreuth. Der Themenschwerpunkt lag dabei auf leistungselektronischen Komponenten für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) sowie deren Einsatz in zukünftigen HGÜ-Netzen. Das Thema seiner Dissertation lautet Gleichspannungswandler für die HGÜ. Seit August 2015 arbeitet Herr Schön als Systemingenieur für HGÜ-Anlagen bei der Siemens AG in Erlangen.

Bericht auch in der UBT-Aktuell Ausgabe 2016-1

Dipl.-Ing. André Schön erhält den Young Engineer Award 2015 Einklappen
Dipl-Ing. André Schön erhält Young Engineer Award 2015

Im Rahmen der Eröffnung der PCIM Europe in Nürnberg vom 19.-21.05.2015 fand die Verleihung der Young Engineer Awards statt. Aus zahlreichen hochkarätigen Beiträgen wählte die Jury der Konferenz-Direktoren diejenigen aus, deren Projekte gemessen an der Erstveröffentlichung und der Aktualität des Themas in der Gesamtheit am meisten überzeugten. Herr André Schön gehört mit seiner Forschungsarbeit zu Leistungselektronischen Komponenten für HVDC-Netze dieses Jahr zu den glücklichen Gewinnern des begehrten Preises. Die drei Gewinner dürfen sich neben der Präsentation ihres Beitrags auf der PCIM Europe Konferenz und der Veröffentlichung im Tagungsband über ein Preisgeld von je 1.000,00 € freuen.

Mit seinem Beitrag “Comparison of the most efficient DC-DC Converters for Power Conversion in HVDC Grids” konnte Herr Schön die Jury für sich gewinnen. Durch den immer weiter steigenden Energiebedarf und dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien steht das historisch gewachsene Wechselspannungsnetz vor enormen Herausforderungen. Der fundamentale Wandel in der Erzeugerstruktur elektrischer Energie von thermischen Großkraftwerken nahe den Verbraucherzentren hin zu in der Fläche verteilten, kleinen und mittleren, regenerativen Erzeugeranlagen erfordert große Übertragungskapazitäten, die das bestehende Wechselspannungsnetzt nicht mehr bereitstellen kann. Die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) wird in Zukunft einen wichtigen Beitrag für die Stabilität, die Sicherheit aber auch für die Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung leisten. Mit seinem Forschungsbeitrag hat Herr Schön entscheidende Neuerungen auf dem Gebiet der Gleichspannungswandler für die HGÜ aufgezeigt und eine neuartige, besonders effiziente Schaltungstopologie entwickelt. Dieser HVDC-Spartransformator ermöglicht es, Hochspannungsgleichstromtrassen unterschiedlicher Spannung mit geringem Schaltungsaufwand und geringen Verlusten direkt zu verbinden. In der preisgekürten Veröffentlichung zeigte Herr Schön unter anderem den Vergleich der zwei effizientesten Gleichspannungswandler für die HGÜ auf. Der neu entwickelte HVDC-Spartransformator zeigt dabei im relevanten Bereich des Spannungsübersetzungsverhältnisses mit Abstand die besten Eigenschaften.

Der Preisträger ist seit Januar 2012 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bayreuth am Lehrstuhl für Mechatronik von Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran. Er arbeitet hier an leistungselektronischen Komponenten für zukünftige HVDC-Netze. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf den Gleichspannungswandlern für die Hochspannungsgleichstromübertragung.

Bericht auch in der UBT-Aktuell Ausgabe 2015-4

M.Eng. Marco Denk erhält den SEMIKRON Young Engineer Award 2015 Einklappen
M.Eng. Marco Denk erhält SEMIKRON Young Engineer Award 2015

Für seine Forschungsarbeit zur Messung der Sperrschichttemperatur eines IGBT Leistungshalbleiters während dessen Betriebes wurde Herr M.Eng. Marco Denk der SEMIKRON Young Engineer Award 2015 verliehen. Mit dem Förderpreis zeichnet die SEMIKRON Stiftung jährlich einen Jungingenieur aus, dessen Arbeit einen herausragenden Beitrag auf dem Gebiet der Leistungselektronik darstellt. Die Preisträger werden in Zusammenarbeit mit dem Europäischen Zentrum für Leistungselektronik ECPE gewählt. Berücksichtigt werden hierbei der Neuigkeitsgehalt und die Aktualität der Forschungsarbeit, sowie das Alter des Autors (bis 30 Jahre). Der mit 3.000,00 € dotierte Preis wurde dieses Jahr erstmalig im Rahmen der ECPE European Center of Power Electronics e. V. Jahreskonferenz am 25.03.2015 in Ismaning übergeben.

Aus einer Vielzahl hochkarätiger Einreichungen wählte die Jury den von Herrn Denk entwickelten „IGBT-Treiber mit integrierter Sperrschichttemperatur-Messung“ aus. Die Sperrschichttemperatur ist ein Schlüsselparameter für die optimale Funktion und Zuverlässigkeit eines IGBT-Leistungsmoduls. Der entwickelte „TJ-IGBT-Treiber“ misst die Temperatur des auf dem Chip befindlichen internen Gatewiderstands durch die Überlagerung der negativen Gatespannung mit einem hochfrequenten Identifikationssignal. Das Sensorsystem ermöglicht die Messung der Sperrschichttemperatur eines konventionell gefertigten Leistungsmoduls in Echtzeit und ohne Beeinflussung des regulären Wechselrichterbetriebs. Damit ist das dargestellte Verfahren auch in der Serienfertigung anwendbar. Die integrierte Sperrschichttemperatur-Messung ermöglicht Wandler mit erhöhter Leistungsdichte und vor allem mit verbesserter Zuverlässigkeit. Hierzu legt Herrn Denks Arbeit den Grundstein für die Erkennung und Überwachung des Alterungszustandes von Leistungsmodulen. Von großem Interesse ist eine solche Zustandsüberwachung beispielsweise bei Leistungsmodulen in e-mobility-Anwendungen oder bei Offshore-Windenergieanlagen.

Der Preisträger ist seit August 2012 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bayreuth am Lehrstuhl für Mechatronik von Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran. In seinem Forschungsprojekt „Zustandsidentifikation von IGBT-Leistungshalbleitern“ beschäftigt sich Herr M.Eng. Marco Denk neben seiner prämierten  Sperrschichttemperatur-Messung mit den Alterungs- und Ausfallmechanismen, der thermischen Impedanzmessung und der Lebensdauerprognostik von Leistungsmodulen.

Bericht auch in der UBT-Aktuell Ausgabe 2015-3


Verantwortlich für die Redaktion: Christine Schmidt

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