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Toke Franke

Toke Franke

Toke Franke wurde am 18.06.1979 in Eckernförde geboren.

Seine Schulzeit verbrachte er in Schleswig-Holstein und Singapur.Er nahm sein Studium der Elektrotechnik mit Wahlfach BWL im Oktober 2001 an der technischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel auf. Nach dem Grundstudium spezialisierte er sich auf die Leistungselektronik. Im Rahmen eines viermonatigen Industriepraktikum in Melbourne, Australien 2005 entwickelte er eine aufwändige Testschaltung zur automatisierten Überprüfung von Industriewechselrichtern. Von 2003 bis 2007 arbeitete er neben dem Studium als studentische Hilfskraft am Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektrische Antriebe wo er auch seine sowohl theoretische als auch praktische Diplomarbeit zum Thema „Analyse, Aufbau und messtechnische Untersuchung eines 20 kW Z-Source-Wechselrichter“ schrieb. Außerdem beendete er sein Wahlfach BWL mit einem Zertifikat. Anschließend arbeitete er am gleichen Lehrstuhl als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Lehre und bereitet seine Promotion vor. Auf Konferenzen in Rostock und Rhodos, Griechenland präsentierte er Ergebnisse seiner Diplomarbeit.

Kurzbeschreibung des Promotionsvorhabens: „Effizienzsteigerung und Volumenreduzierung von Wechselrichtern für Solaranlagen unter Verwendung von neuartigen Silizium Karbid Leistungshalbleitern“

Zur Sicherstellung des wachsenden Energiebedarfs bei gleichzeitiger Verknappung der fossilen Rohstoffe ist es notwendig alternative Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser zu nutzen. Gerade bei der Sonnenenergie die mit Solarzellen in elektrische Energie gewandelt werden kann, ist die Forderung nach hocheffizienten Wechselrichtern besonders groß. Der Wechselrichter hat die Aufgabe den Gleichstrom, den die Solarmodule liefern, in Wechselstrom für das öffentliche Netz zu wandeln.

Ziel dieser Promotionsarbeit ist es Wechselrichter für Solaranlagen weiter zu entwickeln und zu erforschen. Dabei steht die Effizienzsteigerung im Vordergrund, wobei gleichzeitig das Bauvolumen, das Gewicht und möglichst auch die Herstellungskosten, sicher aber die Lebenszykluskosten reduziert werden sollen. Realisiert werden soll dies durch Anwendung von neuartigen Leistungshalbleitern aus Silizium Karbid (SiC). Diese Leistungshalbleiter befinden sich in der Entwicklung zur Marktreife.

SiC-Leistungshalbleiter zeichnen sich dadurch aus, dass sie zum einem deutlich höhere Spannungen sperren können und zum anderem beim Schalten weniger Verluste verursachen als vergleichbare Silizium-Leistungshalbleiter, die bisher verwendet werden. Die geringeren Schaltverluste lassen eine Steigerung der Schaltfrequenz zu, womit eine Reduzierung von Volumen und Gewicht der passiven Komponenten im Leistungsteil möglich ist.

Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeit ist es, die unterschiedlichen Typen der neuartigen SiC-Leistungshalbleiter (Diode, JFET, Bipolartransistor und MOSFET) hinsichtlich ihrer Eignung für Solarumrichter zu untersuchen und zu vergleichen. Dafür wird geprüft wie sich bei den einzelnen Leistungshalbleitertypen die Schalt- und Durchlassverluste bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen, Spannungen und Strömen verhalten. Die Ergebnisse dienen anschließend als Grundlage für die Dimensionierung der Leistungshalbleiter und der Kühlsysteme des Umrichters.

Ein weiterer Schwerpunkt ist es neue Konzepte für die Schaltungstopologie und das Schaltungslayout zu entwickelt, um die Vorteile von SiC-Leistungshalbleitern voll auszuschöpfen. Die Schaltungstopologie wird so gewählt werden, dass eine optimale Verteilung der Bauteilleistung auf die passiven Komponenten und die SiC-Chipfläche erzielt wird. Gleichzeitig werden auch neue Schaltungsansätze auf ihre Eignung für Umrichter an Solarmodulen geprüft. Das Schaltungslayout wird hinsichtlich der parasitäre Leitungsinduktivtäten optimiert, da diese bei hohen Schaltfrequenzen und schnellen Schaltvorgängen zu kritischen Überspannungen führen und dabei die Leistungshalbleiter zerstören können. Außerdem soll die elektromagnetische Abstrahlung so gering wie möglich gehalten werden.

Ein dritter Schwerpunkt ist die Erforschung des Schaltverhaltens von herkömmlichen Treibern zur Ansteuerung der Bauelemente in Kombination mit SiC-Leistungshalbleitern und die Entwicklung von angepassten Treibern. Um die SiC-Leistungshalbleiter effizient und zuverlässig ansteuern zu können, werden für jeden Leistungshalbleitertyp geeignete Treiber entwickelt, die zum einen schnelle Schaltflanken für das Gate bereitstellen und gleichzeitig sicher gegen das Einkoppeln von elektromagnetischen Störungen sind, die durch die schnellen Strom- und Spannungsflanken an den Leistungshalbleitern hervorgerufen werden. Eine weitere Anforderung an die Treiber ist es, die Leistungshalbleiter gegen Überstrom und Überspannung zuverlässig schützen.

Für den Betrieb des Umrichters werden geeignete Regelkonzepte für das Maximum Power Point Tracking und zur Einspeisung der Energie ins öffentliche Netz implementiert. Dabei ist das Ziel, dass alle relevanten Normen, insbesondere hinsichtlich des netzseitigen Verhaltens, eingehalten werden.