ARCHIVE - ARchitecture Ceramic for HIgh Voltage power Electronics

Das Ziel von ARCHIVE ist die Entwicklung einer bahnbrechenden Aufbau- und Verbindungstechnologie für 20 kV Leistungshalbleitermodule. Derartige Module werden den Aufbau von Umrichtern für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) erheblich vereinfachen, da zum Erreichen der Hochspannung weniger Module in Reihe geschaltet werden. Dadurch sinken die Investitions- und Betriebskosten für HGÜ-Anlagen. Dies fördert die Integration von erneuerbaren Energien in die Versorgungsnetze und damit auch generell deren weitere Verbreitung. Das Projekt befasst sich sowohl mit der elektrischen Isolierung als auch mit dem Wärmemanagement. Bei der gegenwärtig verwendeten Technologie werden beide Aspekte durch dasselbe Element definiert: das Keramiksubstrat. Dies führt zu einem Kompromiss zwischen thermischer Leistung und Spannungsfestigkeit. Die in ARCHIVE untersuchten technischen Lösungen basieren auf einem neuartigen, dreidimensional strukturierten Keramiksubstrat. Auf der Oberseite werden durch eine geeignete Topografie die lokalen Spitzen des elektrischen Felds eingeschränkt. Auf der Rückseite ist ein Kühler integriert, der mit einem elektrisch isolierendem Kühlmedium betrieben wird. Dadurch wird die Isolation auf die Keramik und die Kühlflüssigkeit verteilt. Dieser Ansatz wird in einem 20-kV Leistungsmodul demonstriert. Entsprechende Halbleiterbauteile sind in einigen Forschungslabors bereits verfügbar und werden in naher Zukunft als kommerziell erhältlich sein. Das Konzept kann jedoch auf viel höhere Spannungen erweitert werden, da zwischen Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Isolierung kein Kompromiss mehr besteht.