Fehler in modernen Energiesystemen können extreme Kurzschlussströme erzeugen. Klassische Abschalteinrichtungen reagieren oft zu langsam, um Anlagen mit leistungsdichten Halbleiter-Wechselrichtern zuverlässig zu schützen. Ein Team aus Infineon, TU Dresden und Fraunhofer IMWS entwickelte deshalb im Projekt „GreenGridGuard“ ein neues Schutzsystem.

Das halbleiterbasierte System erzwingt im Störfall in unter einer Millisekunde einen dauerhaften Kurzschluss, schaltet den Wechselrichter sicher ab und verhindert Plasmaaustritte. Damit verbessert es sowohl den Anlagenschutz als auch die Netzanbindung von Systemen auf Basis erneuerbarer Energien.

Herausforderungen in modernen Energiesystemen

Klassische Schutzgeräte benötigen bis zu 100 Millisekunden, um einen Überstrom zu unterbrechen – für moderne, halbleiterbasierte Wechselrichter ist das zu lang. Diese arbeiten meist mit IGBT-Modulen (Insulated Gate Bipolar Transistors), die hohe Spannungen und Ströme kompakt schalten können.

Durch den Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) steigt die Leistungsdichte weiter, doch herkömmliche Schutzeinrichtungen stoßen hier an Grenzen. Besonders gefährdet sind die Freilaufdioden-Chips der IGBT-Module. Sie können bei unzulässigen Kurzschlussströmen nicht aktiv abschalten. Im Extremfall drohen Explosionen und Plasmaaustritte, die weitere Schäden im System verursachen.

Schnelle Abschaltung schützt Komponenten

Im Projekt GreenGridGuard wurde ein neuartiger Kurzschluss-Mechanismus entwickelt. „Dieser sorgt dafür, dass der Wechselrichter sich abschaltet. Somit sind die weiteren Komponenten vor einem Überstrom geschützt“, sagt Carola Klute, Leiterin des Teilvorhabens „Materialdiagnostik und Zuverlässigkeitsanalyse“ am Fraunhofer IMWS. Und zwar geschieht dies innerhalb einer Millisekunde.

Zugleich verhindert der Aufbau, dass das Gehäuse auch bei extremen Belastungen aufbricht. Ein „Short-on-fail“-Mechanismus stellt sicher, dass kein Plasma austritt.

Materialdiagnostik als Schlüssel zur Zuverlässigkeit

Das Fraunhofer IMWS analysierte im Projekt das Verhalten der Halbleiter unter elektrischer Belastung. Zum Einsatz kamen Methoden der zerstörungsfreien Fehlerlokalisation wie optische Inspektion, Röntgenanalyse und Ultraschallmikroskopie sowie mikrostrukturelle Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie.

„Wir konnten im Projekt ein genaues Verständnis dafür entwickeln, welche mikrostrukturellen und werkstoffmechanischen Mechanismen an den einzusetzenden Komponenten und Systemen wirken“, so Klute. Das Institut erarbeitete dazu auch spezielle Prüfverfahren und Zuverlässigkeitsuntersuchungen, die in einem Katalog zusammengefasst wurden.

Nachweis hoher Belastbarkeit

Während der zweijährigen Projektlaufzeit testeten die Partner:innen verschiedene Demonstrator-Designs. Besonders erfolgreich war ein Chipaufbau mit fest verbundener Anodenseite und lose aufliegender Kathodenkontaktierung. Die Analysen zeigten, dass bei Stoßstrombelastungen zwischen 20 und 100 Kiloampere die Schädigungen des Bauteils auf definierte Sollbruchstellen begrenzt bleiben. Damit konnte die gewünschte Schutzwirkung des Systems nachgewiesen werden.

Fazit aus dem Projekt
Mit dem Projekt GreenGridGuard liegt nun ein schnelles, zuverlässiges Schutzsystem für IGBT/SiC-Wechselrichtervor. Es ermöglicht eine sichere Abschaltung innerhalb von Millisekunden und verbessert die Zuverlässigkeit von Leistungselektronik in erneuerbaren Energiesystemen.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH