Ein solches Verfahren haben das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE, die  Infineon Technologies AG und und die Sumida Components & Modules GmbH von 2019 bis 2023 untersucht. Das Bundeswirtschaftsministerium hat das Projekt „PV-MoVe“ mit 2,8 Millionen Euro gefördert.

PV-MoVe: Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen

Ziel des Projektes „PV-MoVe – Methoden, Verfahren und Komponenten zur Reduzierung von Schaltverlusten in schnell taktenden PV-Stromrichtern für zielgerichtete Gewichts- und Kostenreduktion“ war es, die Schaltverluste der Leistungshalbleiter zu reduzieren. So wollen die Entwickler höhere Schaltfrequenzen ermöglichen. Das eröffnet laut ihrer Aussage das Potenzial, PV-Stromrichter kleiner, leichter und kosteneffektiver herzustellen, ohne ihre Effizienz wesentlich zu beeinträchtigen.

„Höhere Schaltfrequenzen der Leistungshalbleiter können dazu genutzt werden, die größen- und gewichtstechnisch dominanten Induktivitäten und Kondensatoren kleiner, leichter und mit geringerem Materialaufwand zu fertigen“, sagt Prof. Dr. Marco Jung. Das sparte Material und Kosten bei diesen Komponenten ein. Und es bringe außerdem zusätzlich Vorteile für das Kühlsystem und das Gehäuse. Jung leitet die Abteilung Stromrichter und elektrische Antriebssysteme des Fraunhofer IEE und ist zugleich Professor an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

Zusatzbeschaltungen reduzieren Spanungsbelastung

Das Projekt PV-MoVe fokussierte sich auf die Nutzung von Zusatzbeschaltungen zur Reduzierung von Schaltverlusten. Denn diese lassen sich unabhängig vom Material der Leistungshalbleiter einsetzen. „Sie können sowohl für etablierte Silizium (Si)-Technologien genutzt werden, um ähnlich hohe Schaltfrequenzen wie mit den Wide Band Gap (WBG)-Halbleitern Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) zu erreichen, als auch dafür, die ohnehin schon hohen Schaltfrequenzen der WBG-Halbleiter noch weiter zu erhöhen“, erläutert Projektleiter Sebastian Sprunck vom Fraunhofer IEE. Solche Zusatzbeschaltungen bestehen aus speziellen Kombinationen von Hilfs-Leistungshalbleitern sowie kleineren Resonanzkondensatoren und -induktivitäten. Sie reduzieren die Spannungs- und/oder Strombelastung am Haupt-Leistungshalbleiter während seiner Schaltvorgänge. Dadurch lassen sich diese „weich“ mit erheblich verringerten Verlusten ein- und ausschalten.

50-kW-Wechselrichter als Beispiel in PV-MoVe

Die Forscher:innen haben exemplarisch für einen 50-kW-Photovoltaik-Stromrichter geeignete Schaltungen entwickelt. Dies richtete sich insbesondere auf Teilschaltungen des Gleichspannungshochsetzstellers und der Wechselrichterstufe.  „Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Schaltverluste der Leistungshalbleiter signifikant reduzieren lassen“, so Sprunck. Das gelte für den siliziumbasierten IGBT-Leistungshalbleiter des untersuchten PV-Hochsetzstellers um bis zu minus 70 Prozent. Und bei Silizium-Carbid-MOSFET-Leistungshalbleiter des untersuchten PV-Wechselrichters ließen sich bis zu minus 92 Prozent erreichen.

Die dafür notwendigen Zusatzbeschaltungen verursachen nach Aussage der Expert:innen ihrerseits zwar ebenfalls Verluste, jedoch voraussichtlich nicht mehr als jene, die in den Leistungshalbleitern eingespart werden. Die so eingesparten Schaltverluste können genutzt werden, um die Schaltfrequenz der jeweiligen Leistungshalbleiter deutlich zu erhöhen, ohne eine Überhitzung zu riskieren. „Rechnerisch lassen sich so für den untersuchten 50-kW-PV-Hochsetzsteller mit IGBTs die Schaltfrequenzen ausgehend von 6,6 kHz um den Faktor 2,5 bis 3 steigern“, erklärt das IEE. „Für den dazugehörigen PV-Wechselrichter mit einer Interleaved-SiC-ANPC-Topologie ist ausgehend von 36,6 kHz eine Erhöhung um den Faktor 10 bis 12,5 möglich“.

Die Fraunhofer-Forschenden arbeiten nun daran, die entwickelten Technologien auf ihre Praxistauglichkeit hin zu untersuchen und weitere Anwendungen, wie z. B. Batterie-, Antriebs-, oder Brennstoffzellenwechselrichter, zu erschließen.

21.11.2023 | Quelle: Fraunhofer IEE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH