Galliumnitrid soll Wechselrichter leichter und schneller machen
Grafik: Infineon TechnologiesMit wachsender Bedeutung der Photovoltaik müssen die Anlagen immer neue Anforderungen erfüllen. Dazu gehört zum Beispiel die aktive Stabilisierung des Stromnetzes. Um das optimal zu können, brauchen die Wechselrichter schnelle Schaltelemente. Dass Wechselrichter leichter werden, ist dagegen vor allem für die Praxis wichtig.
Neue Hard- und Software für Photovoltaik-Wechselrichter sollen diese Funktionen ermöglichen. Ein Konsortium aus drei Technologieunternehmen, zwei Hochschulen und einer Forschungseinrichtung arbeitet im Projekt GaN-HighPower von Mai 2021 bis April 2024 an einem entsprechenden Technologiedemonstrator. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert Projekt mit ca. 3,8 Mio. €.
„Der Fokus liegt dabei auf String-Wechselrichtern mit hoher Leistung“, sagt Klaus Rigbers. Er ist im SMA Innovation Center zuständig für die Leistungselektronik. Der weltweit führende Hersteller von Photovoltaik-Wechselrichtern erhofft sich von dem Projekt unter anderem geringere Kosten und höhere Ressourceneffizienz für seine Geräte.
Mit Galliumnitrid-Halbleiter sollen Wechselrichter schneller schalten
Die Konsortialpartner erforschen im Projekt erstmals Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) für Anwendungen bei hoher Leistung. Diese zentrale Technologie stammt von der Infineon Technologies AG. „Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt“, sagt Dr. Peter Friedrichs, Vice President der Division Industrial Power Control bei Infineon. Dort habe sich aber bereits gezeigt, dass GaN-Halbleiter im Vergleich zur Siliziumkarbid (SiC)-Technologie und erst recht gegenüber klassischen Silizium-Bauteilen schnellere Schaltvorgänge ermögliche.
Optimierte magnetische Bauteile und Stromsensoren sollen Wechselrichter leichter machen
Die Vacuumschmelze GmbH & Co. KG (VAC) steuert im Projekt optimierte magnetische Bauteile und Stromsensoren bei. Diese sollen einen wesentlichen Teil der geplanten Gewichtsreduktion ausmachen. Dafür setzen die Projektpartner auf gekoppelte Induktivitäten aus niederpermeablen, nanokristallinen Ringbandkernen. Diese seien deutlich kompakter und verlustärmer als konventionelle Lösungen. Ein weiterer Aspekt sei die Entwicklung von breitbandigen Closed-Loop Stromsensoren. Diese würden auch im hohen Frequenzbereich der GaN-Halbleiter den Strom messtechnisch zuverlässig erfassen, erklärt Simon Sawatzki, der bei VAC Induktive Bauelemente entwickelt.
Die TH Köln liefert die theoretischen Grundlagen für die neuen magnetischen Bauteile. Ein Benchmark mit bestehenden Technologien soll die erwarteten Vorteile validieren. „Weiterentwickelte weichmagnetische Bandmaterialien in neuen induktiv gekoppelten Anordnungen sind ein Schlüssel zur Gewichtsreduktion im anvisierten Frequenz-Leistungsbereich“, sagt Prof. Christian Dick, Leiter des Labors für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe.
Integration der schnellen Halbleiter in die Wechselrichter ist eine Herausforderung
Eine funktionierende Ansteuerelektronik für die schnell schaltenden GaN-Halbleiter zu entwickeln, ist eine wesentliche Herausforderung des Projekts, erklärt Prof. Marco Jung. Er ist Inhaber der Professur für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg und leitet die Abteilung Stromrichter und elektrische Antriebssysteme am Fraunhofer IEE leitet.
Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg bewertet im Projekt die Möglichkeiten der Hardware-Entwicklung und bereitet die Integration der neuen Bauteile in einen Technologiedemonstrator vor.
Dieser Demonstrator soll schließlich in den Laboren des Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE entstehen. Bei diesem liegt auch die Koordination des Gesamtprojektes.
Die Anforderungen an Wechselrichter wachsen stetig. Dabei geht es nicht nur um die Stabilisierung der Stromnetze, sondern auch um immer neue Einsatzmöglichkeiten – zum Beispiel in Kombination mit Wärmepumpen, Ladestationen für E-Mobilität oder Batteriespeichern.
02.02.2022 | Quelle: Fraunhofer IEE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH
