Forscher aus deutschen Forschungsinstituten und Unternehmen arbeiten daran, Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) in String-Wechselrichtern einzusetzen, mit dem Ziel, eine Kosten- und Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig sehr hohem Wirkungsgrad zu ermöglichen. Diese Geräte sollen den Netzbetrieb durch schnellere Schaltvorgänge unterstützen.
Photovoltaik-Wechselrichter der nächsten Generation müssen nicht nur die Einspeisung von Strom ins Netz ermöglichen, sondern auch den Netzbetrieb unterstützen.
Vor diesem Hintergrund entwickelt und testet ein Konsortium aus deutschen Forschungseinrichtungen und Unternehmen jetzt neue Hard- und Software für String-Wechselrichter mit hoher Leistung. Das Projekt wird vom deutschen Forschungsinstitut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE koordiniert und vom Bundeswirtschaftsministerium mit rund 4 Millionen Euro unterstützt.
„In diesem Projekt wird der Einsatz neuester Technologien für Photovoltaik-Wechselrichter untersucht und erprobt, um eine Kosten- und Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig sehr hoher Effizienz zu ermöglichen“, erklärt Klaus Rigbers, verantwortlich für Leistungselektronik im Innovationszentrum des deutschen Wechselrichterherstellers SMA Solartechnik.
Die Forscher konzentrieren sich auf die Anwendung von Halbleitern auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) für String-Wechselrichter. „Bislang beschränkt sich der Einsatz der GaN-Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche“, erklärt Peter Friedrichs, Vice President des Geschäftsbereichs Industrial Power Control des Halbleiterzulieferers Infineon Technologies. „Es hat sich bereits gezeigt, dass GaN-Halbleiter im Vergleich zu Siliziumkarbid (SiC)-Technologien noch schnellere Schaltvorgänge und sogar noch mehr im Vergleich zu klassischen Silizium (Si)-Bauteilen ermöglichen.“ Das Projekt soll nun erforschen, inwieweit die GaN-Technologie weiterentwickelt werden kann.
Das deutsche Unternehmen Vacuumschmelze (VAC) wird seine Halbleiter mit optimierten magnetischen Komponenten und Stromsensoren ausstatten, die einen wesentlichen Beitrag zur Gewichts- und Volumenreduzierung leisten sollen. Dafür sollen innovative, gekoppelte Induktivitäten aus niederpermeablen, nanokristallinen Ringkernen sorgen, die laut VAC deutlich kompakter und verlustärmer sind als herkömmliche Lösungen. „Ein weiterer Aspekt ist die Entwicklung breitbandiger Closed-Loop-Stromsensoren, die den Strom auch im Hochfrequenzbereich der GaN-Halbleiter messen können“, erklärt Simon Sawatzki, verantwortlich für die Entwicklung Induktiver Bauelemente bei VAC.
Die Technische Universität Köln (TH Köln) liefert die theoretischen Grundlagen für die neuen Magnetkomponenten. Ein Benchmark mit bestehenden Technologien soll den erwarteten Nutzen validieren. „Fortschrittliche weichmagnetische Bandmaterialien in neuen induktiv gekoppelten Anordnungen sind ein Schlüssel zur Gewichtsreduzierung im angestrebten Frequenz-Leistungsbereich“, sagt Christian Dick, Leiter des Labors für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe an der TH Kln.
Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg bereitet unter anderem die Integration der neuen Komponenten in einen Technologiedemonstrator vor. „Eine funktionierende Ansteuerelektronik für die schnell schaltenden GaN-Halbleiter zu entwickeln, ist eine große Herausforderung“, sagt Marco Jung, der an der Universität die Professur für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik innehat.
Neben der Projektkoordination ist das Fraunhofer IEE dafür verantwortlich, die neu entwickelten Komponenten zu untersuchen und ihren Betrieb so effizient wie möglich zu gestalten. „Mit diesen neuen Komponenten wird dann in unseren Laboren ein Technologiedemonstrator aufgebaut, an dem die Funktion der neuen Technologien und die angestrebte Gewichtsreduzierung im praktischen Einsatz validiert und weitere Schritte zur Optimierung des Systems weiter betrachtet werden.“ erklärt Sebastian Sprunck, Gruppenleiter für Komponenten und Messsysteme am Fraunhofer IEE.
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