Aktuelle Tagungen und Veröffentlichungen

Die Arbeit am Projekt beinhaltet auch die Veröffentlichung relevanter Inhalte und die Einordnung des Forschungsfeldes in den angrenzenden Stand der Technik. Daher wird das Projekt durch die Projektpartner regelmäßig auf Veranstaltung beworben und wissenschaftliche Inhalte in Abstimmung mit den Partnern veröffentlicht und auch auf Konferenzen vorgestellt.

• DC⎓IN 2025 Industrielle und nachhaltige Gleichstromnetze / 17. - 18. September 2025 / Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe / Lemgo
• 28. Albert-Keil-Kontaktseminar 2025 24. - 26. September 2025 / Karlsruher Institut für Technologie (KIT) / Karlsruhe
• Anwenderforum Relaistechnik / 29. - 30. Oktober 2025 / Vogel Convention Center Würzburg

Abstract —  Important components for future DC networks are suitable DC switching devices. Current research shows that hybrid DC breaker systems consisting of mechanical- and semiconductor switches have advantages over the individual components. This is especially true when the currents exceed 100 A and voltages reach 800 V. In this paper we focus on a basic structure of a hybrid DC breaker consisting of a parallel circuitry setup of a mechanical switching device (mechanical bypass switch), an power electronic switching device and a power dissipation component, all connected in series to a further mechanical switching device (mechanical disconnecting switch) for galvanic separation. Considering the mechanical bypass switch, this hybrid setup can shorten the arc duration significantly based on the commutation mechanisms between mechanical and semiconductor switching devices in combination with a metal oxide varistor. This commutation to the semiconductor branch can be accomplished through the voltage drop between the opening mechanical contacts. Therefore, this natural commutation process is investigated here in detail with a pair of copper contacts with additional hydrogen-nitrogen gas environment and/or transversal magnetic fields to enhance the effect of cooling the arc and to reduce reignition probability. Almost arc free switching up to 800 V from 100 A– 500 A is demonstrated for opening of the mechanical contacts with an IGBT in parallel connection. Several questions about contact erosion and wear are discussed.

Keywords — Low voltage DC distribution systems, Semiconductor hybrid circuit breaker (SCHCB), hybrid circuit breaker (HCB), insulated gate bipolar transistor (IGBT), metal oxide varistor (MOV), arc free commutation

Authors — Dieter Volm, Maximilian Kraus, Matthias Streck, Bernhard Fauth, Frank Nothnagel, Daniel Bastl and Frank Berger

Institutions — Panasonic Industry Europe GmbH, Technische Universität Ilmenau

Year — 2024

Platform — 32nd International Conference on Electrcial Contacts (ICEC) and 69th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts

Abstract —  In diesem Beitrag werden aktuelle Entwicklungen im Bereich der halbleiterbasierten Schaltgeräte und der entsprechenden Standardisierung präsentiert. Aktuell werden verschiedenste Schutzgeräte für den Überstromschutz in Gleichstromnetzen erforscht, darunter insbesondere hybride und rein elektronische Schalter mit verbesserten Schalt- und Reaktionszeiten. Zwei innovative Konzepte werden detailliert vorgestellt: der inverse Thyristor, der intrinsisch Fehlerströme erkennt und sicher abschaltet, sowie die Überstrom- Begrenzungs- und Detektionseinheit OLDU, welche eine nicht-invasive Kurzschlusserkennung und Überstrombegrenzung kombiniert. Diese Konzepte könnten mit ihren, über die aktuellen Diskussionen in der Normierung hinausgehenden, Auslösecharakteristiken potenziell wichtige Auswirkungen auf die zukünftige Betrachtung des Schutzkonzepts haben.

Authors — Johannes Gehring, Norman Böttcher, Bernd Wunder

Institutions — Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

Year — 2024

Platform — 1. DC-Verteilnetztagung

Abstract —  This paper introduces a novel non-destructive device for detecting and limiting short-circuit currents in LVDC grids. The proposed solution is based on the concept of using a transformer fully saturated by a permanent magnet during normal operation. When a short circuit condition occurs, the transformer desaturates, triggering the detection and protection mechanism. The function and structure of the unit as well as design criteria are explained. Experimental results demonstrate the effectiveness of the device in detecting and limiting overcurrents. This hardware-based detection solution is particularly suitable for being installed in a semiconductor circuit breaker rated up to but not limited to 100 A.

Keywords — DC microgrids, fault detection, short-circuit, fault current limiter, protection

Authors — Johannes Gehring,  Raffael Schwanninger, Bernd Wunder, Martin März, Vincent Lorentz

Institutions — Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Universität Bayreuth

Year — 2024

Platform — 2024 IEEE Sixth International Conference on DC Microgrids (ICDCM)

Link — IEEE: https://ieeexplore.ieee.org/document/10664879 
doi: 10.1109/ICDCM60322.2024.10664879

Abstract —  The changing grid structures of DC grids are placing new demands on switching devices, particularly on their switch-off speed. For these reasons, the switching behavior of electromechanical switching devices was investigated with the goal to rapidly extinguish the arc. This can be achieved by rapid commutation of the arc onto the rails and into the arc chamber. Commutation in the electromechanical switching device can be facilitated by using radial or axial magnetic fields. Experiments were conducted utilizing a model switch with Helmholtz coils to generate the different external magnetic fields. Switch-off tests were carried out on the model switch at a voltage of 230 V (DC) and currents of 16 to 320 A. Contacts made of Ag/Ni 90/10 and Ag/SnO2 88/12 were used. The arrangement of the Helmholtz coils allowed a radial magnetic field (RMF), an axial magnetic field (AMF) or a combination of both (XMF) to be generated. The magnetic field of the coil arrangement was varied between magnetic flux densities of 10, 25 and 40 mT. The commutation time of the arc on the rails and the erosion of the contacts was
investigated. High-speed recordings were made during individual tests. The distribution of the magnetic flux density in the switching chamber was also analyzed with simulations carried out in COMSOL. The combination of the results from simulation and tests led to a more precise understanding of the influences of the magnetic fields on the arc.

Keywords — commutation time, arc burning time, magnetic fields, radial, axial, RMF, AMF, XMF, helmholtz coils, model switch, electromechanical switch, high-speed camera, erosion, 3d fem simulation, DC, LVDC

Authors — Maximilian Schima, Matthias Glock, Frank Berger

Institutions — Technische Universität Ilmenau

Year — 2024

Platform — 32nd International Conference on Electrcial Contacts (ICEC) and 69th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts

Abstract —  A suitable simulation model is required for the simulative investigation of the function principles (arc-operated, arc-reduced, arc-free) of the hybrid switch in order to adequately describe the function and interaction of the three subsystems in the hybrid switch. Therefor the three subsystems are modeled with focus on the arc modeling. This modeling is adapted according to the above-mentioned functional principles in order to be able to simulate them. The models are then implemented in MATLAB Simulink in order to carry out a comparison between the different modeling approaches. In addition, the results (commutation times and energies) obtained in this way are compared with experimental results. Finally, the most important findings are summarized and an outlook on future research questions is given.

Keywords — Mathematical Modeling of Hybrid Switching Devices for Investigation of Different Function Principles

Authors — Arno Bernhardt, Frank Berger

Institutions — Technische Universität Ilmenau

Year — 2024

Platform — 2024 IEEE 69th Holm Conference on Electrical Contacts

Link — https://ieeexplore.ieee.org/document/10768480
doi:  10.1109/HOLM56222.2024.10768480

Abstract —  This paper introduces an innovative non-destructive device designed to detect and limit short-circuit currents in LVDC grids. The proposed solution utilizes a transformer fully saturated by a permanent magnet during normal operation. When a short-circuit condition occurs, the transformer desaturates, reducing the rise in current and triggering the detection and protection mechanism. The structure and functionality of the device, along with the design criteria, are discussed. Additionally, optimization measures are presented, examined, and validated. Experimental results from the advanced device prototype demonstrate its effectiveness in detecting and limiting overcurrents. The device features a stable tripping threshold and can safely and reliably interrupt even low time constant capacitive short-circuits. This hardware-based detection solution is ideally suited for installation in a semiconductor circuit breaker.

Keywords — Current measurement, DC circuit breakers, DC power systems, fault current limiters, overcurrent protection, protection, short circuit currents

Authors — Johannes Gehring, Raffael Schwanninger, Alexander Nowak, Bernd Wunder,  Vincent Lorentz, Martin März

Institutions — Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Universität Bayreuth

Year — 2025

Platform — IEEE Open Journal of Power Electronics

Link — IEEE: https://ieeexplore.ieee.org/document/10945435 
doi: 10.1109/OJPEL.2025.3555797

Abstract —  Short-circuit behavior in DC-microgrids differs significantly from AC systems, increasing the use of hybrid and solid-state circuit breakers. Due to much shorter breaking times, the delay between the fault occurring and breaker reaction must be considered for selectivity. This reaction time gap – resulting from delays in detection and actuation – is introduced and discussed in detail in this paper. While often negligible in AC systems, it becomes critical in fast DC protection. If not properly accounted for, this delay may compromise protection selectivity and lead to cascading switchoff operations within the system. The paper analyzes how current slopes and grid dynamics interact with breaker delays, affecting coordination. Countermeasures concerning reaction and short-circuit dynamics are discussed to mitigate the reaction time gap and ensure selective protection in DCmicrogrids.

Keywords — DC circuit breakers, DC-microgrids, overcurrent protection, selectivity, short-circuit, protection

Authors — Johannes Gehring, Raffael Schwanninger, Kilian Drexler, Bernd Wunder,  Vincent Lorentz, Martin März

Institutions — Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Universität Bayreuth

Year — 2025

Platform — 2025 IEEE Seventh International Conference on DC Microgrids (ICDCM)

Abstract —  DC Hybrid switchgear are a key element for the safe operation of future high-efficient DC distribution systems. This paper contributes to improve the design of these switchgear in the course of future development processes. For this purpose, a proprietary failure analysis method based on an FMEA is presented and applied to a generic parallel structure of a hybrid DC switchgear as an example. Altogether more than 60 failure modes are identified and evaluated. The failure modes determined as particularly critical affect the function of opening of the hybrid switchgear and are discussed in detail. An examination of the causes, effects, detection approaches and possible mitigation measures of these failure modes are provided. This provides information on increasing the reliability and safety of hybrid switchgear as a basis for the design and development process.

Keywords — DC distribution systems, DC power transmission, Failure Mode and Effects Analysis (FMEA), fault diagnosis, low voltage switching devise, hybrid switchgear, power semiconductor switches, protection, quality management, risk analysis, mechanical switching devices, technical planning, technology planning.

Authors — Matthias Streck, Bernhard Fauth, Julian Kaiser, Frank Berger, Johannes Gehring, Sebastian Gerke, Ann-Catrin Uhr-Müller, Vincent Lorentz, Arno Bernhardt, Christian Hoyer, Christoph Oehler, Martin März

Year — 2025

Platform — 2025 IEEE Seventh International Conference on DC Microgrids (ICDCM)

Abstract —  Gleichstromnetze stehen vor besonderen Herausforderungen bei der Erkennung und Abschaltung von Kurzschlussströmen, insbesondere aufgrund der hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten. Dieser Beitrag untersucht die Detektion und Begrenzung von Kurzschlüssen und stellt eine innovative Überstrom-Detektions- und Begrenzungseinheit vor, welche Detektion und Begrenzung in einem System kombiniert. Diese Einheit basiert auf einer Spule mit einem gesättigten Ferritkern und integriertem Permanentmagneten, die bei Überschreiten eines Schwellenstroms entsättigt wird und dadurch infolge der steigenden Induktivität die Stromsteilheit effektiv begrenzt. Zeitgleich wird die Fehlerdetektion durch die induzierte Spannung in einer ebenfalls auf dem Ferritkern angeordneten Detektionsspule ermöglicht. Experimentelle Tests mit dem Prototyp eines Halbleiter-Leistungsschalters bestätigen die Effektivität des Konzepts: Die maximale Stromstärke wird unabhängig von der Impedanz des Fehlerpfades auf einen definierten Wert begrenzt. Zudem wird eine Detektionszeit von unter 50 ns erreicht. Dies ermöglicht das einfache Erzielen von Selektivität auch bei komplexen Netzkonfigurationen. Das Konzept bietet somit einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Sicherheit und Effizienz in Gleichstromnetzen.

Authors — Johannes Gehring, Raffael Schwanninger, Alexander Nowak, Bernd Wunder,  Vincent Lorentz, Martin März

Institutions — Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Universität Bayreuth

Year — 2025

Platform — 28. Albert-Keil-Kontaktseminar

Abstract —  Zur zukünftigen Klassifikation des Schaltvorgangs hybrider Schaltgeräte werden drei grundlegende Schaltverfahren de-
tailliert vorgestellt und erläutert. Um eine klare Unterscheidbarkeit dieser drei Verfahren zu gewährleisten werden zu-
nächst mögliche Unterscheidungskriterien diskutiert und bewertet. Ausgehend vom geeignetsten Kriterium wird eine
genaue Definition des Kriteriums und den Auswirkungen der Schaltverfahren auf das mechanische Kontaktsystem vorge-
nommen. Daran angeschlossen werden mögliche Anwendungsbereiche der Schaltverfahren in klassischen Schaltgeräte
use-cases und damit verbundene Optimierungspotentiale diskutiert und bewertet.

Authors — Arno Bernhardt, Frank Berger

Institutions — Technische Universität Ilmenau

Year — 2025

Platform — 28. Albert-Keil-Kontaktseminar

Link —