Development of a test bench to investigate the impact of steep voltage slopes on the lifetime of insulation systems for coil windings

  • Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung der Auswirkungen steiler Spannungsflanken auf die Lebensdauer von Isoliersystemen für Spulenwicklungen

Grau, Vivien Corinna; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Franck, Christian (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 158
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Halbleiter-Leistungsbauelemente mit breiter Bandlücke bieten erhebliche Vorteile gegenüber den entsprechenden Bauelementen auf Siliziumbasis. Sie weisen eine höhere Durchschlagsfestigkeit, eine geringere Größe und niedrige Leitverluste auf. Der wichtigste Vorteil ist jedoch ihr schnelles Schaltverhalten, welches zu niedrigen Schaltenergien führt. Dies erlaubt höhere Schaltfrequenzen, was wiederum eine kompaktere Bauweise der passiven Komponenten und damit höhere Leistungsdichten ermöglicht. Die hochdynamischen Schalttransienten erhöhen jedoch die Beanspruchung von Isolationssystemen elektrischer Komponenten wie z. B. Spulenwicklungen. Diese Belastung führt häufig zu einer beschleunigten Alterung und einem vorzeitigen Versagen der Isolationssysteme. Um das Potenzial der schnell schaltenden Halbleiterbauelemente mit breiter Bandlücke voll auszuschöpfen und eine Verringerung der Schaltgeschwindigkeit zu vermeiden, müssen die Ursachen für die Belastung durch steile Spannungsflanken untersucht werden. Allerdings gibt es bislang keine einheitlichen Testaufbauten oder Normen für die Messung und Charakterisierung der Auswirkungen von Halbleiterbauelementen mit breiter Bandlücke auf das Isolationssystem von Spulenwicklungen. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit ein hochflexibler Prüfstand mit multiphysikalischer Messdiagnostik entwickelt und evaluiert. Der Prüfstand ermöglicht die Anregung von induktiven und kapazitiven Prüflingen mit steuerbaren Spannungsflanken. Die Steilheit der Spannungsflanken kann über einen weiten Bereich eingestellt werden. Des Weiteren wird für den Prüfumrichter eine Vollbrückentopologie vorgeschlagen, womit sich sowohl unipolare als auch bipolare Spannungsformen realisieren lassen. Der Prüfstand ermöglicht somit eine tiefgreifende Untersuchung der mit den hohen Transienten steiler Spannungsflanken verbundenen Herausforderungen. Steile Spannungsflanken erfordern eine hohe Bandbreite und Störfestigkeit der Messgeräte. Herkömmliche Messgeräte stoßen bei den kritischen Spannungsflankensteilheiten oft an ihre Grenzen. Dies ist insbesondere bei Teilentladungsmessungen der Fall. Zur Kompensation solcher Einschränkungen ist der vorgeschlagene Prüfaufbau so konzipiert, dass eine multiphysikalische Betrachtung der Effekte möglich ist. Die präzise definierte und quasi interferenzfreie Testumgebung gewährleistet genaue Messungen mit hoher Vergleichbarkeit. Darüber hinaus wird die Verwendung von normgerechten Prüflingen diskutiert und eine angepasste Alternative vorgeschlagen. Die Identifikation von Alterungsmechanismen in Verbindung mit steilen Spannungsflanken gibt einen Überblick über die Faktoren, die zur beschleunigten Alterung von Isolationsmaterialien beitragen. Die Methode der statistischen Versuchsplanung ermöglicht die Ermittlung von Korrelationen zwischen entscheidenden Eingangsparametern und stellt ein effizientes experimentelles Verfahren zur Verfügung, um die Kreuzkopplung von verschiedenen Alterungseffekten durch eine Reihe von Messungen zu untersuchen. Diese Arbeit ist ein elementarer Beitrag zur Untersuchung und Analyse der Auswirkungen hochdynamischer Schalttransienten auf Isolationssysteme von Spulenwicklungen.

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