Zugl.: Wuppertal, Univ., Diss., 2008

Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Der Anspruch an die Elektroenergieversorgung in Industrieländern hat verschiedenen Aspekten zu genügen. Hierzu gehören: • Versorgungssicherheit, • Preiswürdigkeit, • Effizienz, • Umweltverträglichkeit und • Verbraucherfreundlichkeit. [1] Diese Ziele stehen konträr zueinander. Der reine Strompreis ist durch die Erzeugung und den Transport bestimmt. Während sich der Preis für die Erzeugung an der Strombörse in Abhängigkeit von Angebot und Nachfrage bildet, weisen Transport- und Verteilungsnetze mit hohen Fix- und geringen variablen Kosten den Charakter natürlicher Monopole auf. Daher unterliegen sowohl Transport- als auch Verteilnetze einer staatlichen Regulierung durch die Bundesnetzagentur. Aufgabe der Regulierung ist es, die Transportkosten bei Einhaltung eines vorgegebenen Qualitätsniveaus und unter Sicherstellung angemessener Investitionen zu minimieren. Es stellt sich jedoch die Frage nach dem „Wie?“. Das Niveau der Zuverlässigkeit der Elektroenergieversorgung in Deutschland ist im internationalen Vergleich sehr hoch. [2] Zur Wahrung dieses Standortvorteils sind mit Blick auf die Nachhaltigkeit kontinuierliche Investitionen notwendig. Dies gilt besonders für die Mittelspannungsnetze, in denen ein Großteil der zur Elektroenergieverteilung erforderlichen Leitungen sowie Ortsnetzstationen installiert sind. Im Gegensatz zu den Übertragungsnetzen wird in Mittelspannungsnetzen aus Kostengründen kein kontinuierliches Betriebsmittelmonitoring betrieben. Auch das (n-1)-Kriterium [3] wird aus wirtschaftlichen Gründen nicht immer eingehalten. Da sich ein Fehler in dieser Spannungsebene direkt auf eine Vielzahl von Kunden auswirkt, bestimmen Mittelspannungsnetze die Versorgungssicherheit wesentlich. Mittelspannungsnetze sind heutzutage reine Kabelnetze bzw. Netze mit Kabel- und Freileitungsanteil. Die Bewertung des vorhandenen Mittelspannungsnetzes stellt für Verteilnetzbetreiber eine Herausforderung dar. Während man Freileitungen leicht auf ihren Zustand hin begutachten kann, ist eine Zustandsbestimmung bei Mittel-spannungskabeln schwierig. Gleichzeitig haben sich Ersatzinvestitionen genau auf die Mittelspannungskabel zu konzentrieren, die sich in einem schlechten technischen Zustand befinden. Die Beurteilung des Zustandes von Mittelspannungskabeln ist somit eine der zentralen Aufgaben eines Verteilnetzbetreibers. Eine umfassende Bewertung mit Prüf- und Diagnoseverfahren ist in ausgedehnten Mittel-spannungsnetzen aus Kostengründen nicht möglich. Die systematische Analyse und Auswertung von Betriebsmittel-, Topologie- und Fehlerdaten bietet die Möglichkeit einer umfassenden Bewertung heutiger und zukünftiger Mittelspannungsnetze. In der Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, die in den Netzdaten vorhandenen Informationen systematisch zur Ableitung optimierter Investitionsentscheidungen zu nutzen. Quellenangaben: [1] vgl. §1 EnWG [2] BDEW, „Energiemarkt Deutschland: Zahlen und Fakten zur Gas-, Strom- und Fernwärmeversorgung“, Berlin, 2009 [3] Koeppel, F. W „Zuverlässigkeit von Elektroenergiesystemen“, 1. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1990

The desire for energy and resource savings brings magnesium alloys as lightweight materials with high specific strength more and more into the focus. Most structural components are subjected to cyclic loading. In the course of computer aided product development, a numerical prediction of the fatigue life under these conditions must be provided. For this reason, the mechanical properties of the considered material must be examined in detail. Wrought magnesium semifinished products, e.g. magnesium sheet metals, typically reveal strong basal textures and thus, the mechanical behavior considerably differs from that of the well-established magnesium die castings. Magnesium sheet metals reveal a distinct difference in the tensile and compressive yield stress, leading to non-symmetric sigmoidal hysteresis loops within the elasto-plastic load range. These unusual hysteresis shapes are caused by cyclic twinning and detwinning. Furthermore, wrought magnesium alloys reveal pseudoelastic behavior, leading to nonlinear unloading curves. Another interesting effect is the formation of local twin bands during compressive loading. Nevertheless, only little information can be found on the numerical fatigue analysis of wrought magnesium alloys up to now. The aim of this thesis is the investigation of the mechanical properties of wrought magnesium alloys and the development of an appropriate fatigue model. For this purpose, twin roll cast AM50 as well as AZ31B sheet metals and extruded ME21 sheet metals were used. Mechanical tests were carried out to present a comprehensive overview of the quasi-static and cyclic material behavior. The microstructure was captured on sheet metals before and after loading to evaluate the correlation between the microstructure, the texture, and the mechanical properties. Stress- and strain-controlled loading ratios and strain-controlled experiments with variable amplitudes were performed. Tests were carried out along and transverse to the manufacturing direction to consider the influence of the anisotropy. Special focus was given to sigmoidal hysteresis loops and their influence on the fatigue life. A detailed numerical description of hysteresis loops is necessary for numerical fatigue analyses. For this, a one-dimensional phenomenological model was developed for elasto-plastic strain-controlled constant and variable amplitude loading. This model consists of a three-component equation, which considers elastic, plastic, and pseudoelastic strain components. Considering different magnesium alloys, good correlation is reached between numerically and experimentally determined hysteresis loops by means of different constant and variable amplitude load-time functions. For a numerical fatigue life analysis, an energy based fatigue parameter has been developed. It is denoted by “combined strain energy density per cycle” and consists of a summation of the plastic strain energy density per cycle and the 25 % weighted tensile elastic strain energy density per cycle. The weighting represents the material specific mean stress sensitivity. Applying the energy based fatigue parameter on modeled hysteresis loops, the fatigue life is predicted adequately for constant and variable amplitude loading including mean strain and mean stress effects. The combined strain energy density per cycle achieves significantly better results in comparison to conventional fatigue models such as the Smith-Watson-Topper model. The developed phenomenological model in combination with the combined strain energy density per cycle is able to carry out numerical fatigue life analyses on magnesium sheet metals.

The desire for energy and resource savings brings magnesium alloys as lightweight materials with high specific strength more and more into the focus. Most structural components are subjected to cyclic loading. In the course of computer aided product development, a numerical prediction of the fatigue life under these conditions must be provided. For this reason, the mechanical properties of the considered material must be examined in detail. Wrought magnesium semifinished products, e.g. magnesium sheet metals, typically reveal strong basal textures and thus, the mechanical behavior considerably differs from that of the well-established magnesium die castings. Magnesium sheet metals reveal a distinct difference in the tensile and compressive yield stress, leading to non-symmetric sigmoidal hysteresis loops within the elasto-plastic load range. These unusual hysteresis shapes are caused by cyclic twinning and detwinning. Furthermore, wrought magnesium alloys reveal pseudoelastic behavior, leading to nonlinear unloading curves. Another interesting effect is the formation of local twin bands during compressive loading. Nevertheless, only little information can be found on the numerical fatigue analysis of wrought magnesium alloys up to now. The aim of this thesis is the investigation of the mechanical properties of wrought magnesium alloys and the development of an appropriate fatigue model. For this purpose, twin roll cast AM50 as well as AZ31B sheet metals and extruded ME21 sheet metals were used. Mechanical tests were carried out to present a comprehensive overview of the quasi-static and cyclic material behavior. The microstructure was captured on sheet metals before and after loading to evaluate the correlation between the microstructure, the texture, and the mechanical properties. Stress- and strain-controlled loading ratios and strain-controlled experiments with variable amplitudes were performed. Tests were carried out along and transverse to the manufacturing direction to consider the influence of the anisotropy. Special focus was given to sigmoidal hysteresis loops and their influence on the fatigue life. A detailed numerical description of hysteresis loops is necessary for numerical fatigue analyses. For this, a one-dimensional phenomenological model was developed for elasto-plastic strain-controlled constant and variable amplitude loading. This model consists of a three-component equation, which considers elastic, plastic, and pseudoelastic strain components. Considering different magnesium alloys, good correlation is reached between numerically and experimentally determined hysteresis loops by means of different constant and variable amplitude load-time functions. For a numerical fatigue life analysis, an energy based fatigue parameter has been developed. It is denoted by “combined strain energy density per cycle” and consists of a summation of the plastic strain energy density per cycle and the 25 % weighted tensile elastic strain energy density per cycle. The weighting represents the material specific mean stress sensitivity. Applying the energy based fatigue parameter on modeled hysteresis loops, the fatigue life is predicted adequately for constant and variable amplitude loading including mean strain and mean stress effects. The combined strain energy density per cycle achieves significantly better results in comparison to conventional fatigue models such as the Smith-Watson-Topper model. The developed phenomenological model in combination with the combined strain energy density per cycle is able to carry out numerical fatigue life analyses on magnesium sheet metals.

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.

Der Anspruch an die Elektroenergieversorgung in Industrieländern hat verschiedenen Aspekten zu genügen. Hierzu gehören: • Versorgungssicherheit, • Preiswürdigkeit, • Effizienz, • Umweltverträglichkeit und • Verbraucherfreundlichkeit. [1] Diese Ziele stehen konträr zueinander. Der reine Strompreis ist durch die Erzeugung und den Transport bestimmt. Während sich der Preis für die Erzeugung an der Strombörse in Abhängigkeit von Angebot und Nachfrage bildet, weisen Transport- und Verteilungsnetze mit hohen Fix- und geringen variablen Kosten den Charakter natürlicher Monopole auf. Daher unterliegen sowohl Transport- als auch Verteilnetze einer staatlichen Regulierung durch die Bundesnetzagentur. Aufgabe der Regulierung ist es, die Transportkosten bei Einhaltung eines vorgegebenen Qualitätsniveaus und unter Sicherstellung angemessener Investitionen zu minimieren. Es stellt sich jedoch die Frage nach dem „Wie?“. Das Niveau der Zuverlässigkeit der Elektroenergieversorgung in Deutschland ist im internationalen Vergleich sehr hoch. [2] Zur Wahrung dieses Standortvorteils sind mit Blick auf die Nachhaltigkeit kontinuierliche Investitionen notwendig. Dies gilt besonders für die Mittelspannungsnetze, in denen ein Großteil der zur Elektroenergieverteilung erforderlichen Leitungen sowie Ortsnetzstationen installiert sind. Im Gegensatz zu den Übertragungsnetzen wird in Mittelspannungsnetzen aus Kostengründen kein kontinuierliches Betriebsmittelmonitoring betrieben. Auch das (n-1)-Kriterium [3] wird aus wirtschaftlichen Gründen nicht immer eingehalten. Da sich ein Fehler in dieser Spannungsebene direkt auf eine Vielzahl von Kunden auswirkt, bestimmen Mittelspannungsnetze die Versorgungssicherheit wesentlich. Mittelspannungsnetze sind heutzutage reine Kabelnetze bzw. Netze mit Kabel- und Freileitungsanteil. Die Bewertung des vorhandenen Mittelspannungsnetzes stellt für Verteilnetzbetreiber eine Herausforderung dar. Während man Freileitungen leicht auf ihren Zustand hin begutachten kann, ist eine Zustandsbestimmung bei Mittel-spannungskabeln schwierig. Gleichzeitig haben sich Ersatzinvestitionen genau auf die Mittelspannungskabel zu konzentrieren, die sich in einem schlechten technischen Zustand befinden. Die Beurteilung des Zustandes von Mittelspannungskabeln ist somit eine der zentralen Aufgaben eines Verteilnetzbetreibers. Eine umfassende Bewertung mit Prüf- und Diagnoseverfahren ist in ausgedehnten Mittel-spannungsnetzen aus Kostengründen nicht möglich. Die systematische Analyse und Auswertung von Betriebsmittel-, Topologie- und Fehlerdaten bietet die Möglichkeit einer umfassenden Bewertung heutiger und zukünftiger Mittelspannungsnetze. In der Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, die in den Netzdaten vorhandenen Informationen systematisch zur Ableitung optimierter Investitionsentscheidungen zu nutzen. Quellenangaben: [1] vgl. §1 EnWG [2] BDEW, „Energiemarkt Deutschland: Zahlen und Fakten zur Gas-, Strom- und Fernwärmeversorgung“, Berlin, 2009 [3] Koeppel, F. W „Zuverlässigkeit von Elektroenergiesystemen“, 1. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1990

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet. / The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177 / The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177