Neue Leistungselektronik für eine sonnige Zukunft

Die Photovoltaik (PV) gewinnt im Zuge der weltweiten Energiewende eine immer größere Bedeutung für eine nachhaltige und bezahlbare Energieversorgung. Neben der erforderlichen kontinuierlichen Kostensenkung steigen vor diesem Hintergrund aber auch die Anforderungen an die Funktionsvielfalt der Geräte. So werden beispielsweise technische Lösungen benötigt, die neben der Einspeisung des erzeugten Stroms in das europäische Verbundnetz auch ermöglichen, dass PV-Anlagen aktiv zur Stabilisierung des Netzes beitragen. Auch Inselnetzanwendungen und der weltweite Einsatz in Umgebungen mit unterschiedlichen Anforderungen, z. B. im europäischen oder im nordamerikanischen Verbundnetz, sollen durch neue Hard- und Software für PV-Wechselrichter ermöglicht werden. Diese und weitere Herausforderungen bearbeitet ein Konsortium aus drei Technologieunternehmen, zwei Hochschulen und einer Forschungseinrichtung seit Mai 2021 bis April 2024.

Grobe Einstufung von Halbleiterbauelementtypen in Abhängigkeit der applikationstypischen Leistung und Schaltfrequenz (Bild: Infineon Technologies)

Die SMA Solar Technology AG, ein weltweit führender Hersteller von PV- und Batterie-Wechselrichtern und Spezialist für PV-Systemlösungen, vertritt im Konsortium die Wechselrichtertechnik aus Herstellersicht. „Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen vorzubereiten. Der Fokus liegt dabei auf String-Wechselrichtern mit hoher Leistung“, sagt Dr. Klaus Rigbers, bei SMA im Innovation Center zuständig für die Leistungselektronik. „In diesem Projekt soll die Nutzung neuester Technologien für PV-Wechselrichter erforscht und erprobt werden, um eine Kosten- und Gewichtsreduktion bei weiterhin sehr hoher Effizienz zu ermöglichen.“

Eine dieser neuen Technologien steuert die Infineon Technologies AG bei. Dazu werden erstmals Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) für Anwendungen hoher Leistung erforscht, wie sie in PV-Wechselrichtern benötigt werden. „Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt. Dort konnte bereits gezeigt werden, dass GaN-Halbleiter im Vergleich zur Siliziumkarbid (SiC)-Technologie und erst Recht gegenüber klassischen Silizium (Si)-Bauteilen noch schnellere Schaltvorgänge ermöglichen. Im Rahmen des Projekts soll erforscht werden, inwieweit die bisherigen Grenzen der GaN-Technologie nach oben erweitert werden können“, erläutert Dr. Peter Friedrichs, Vice President Division Industrial Power Control bei Infineon.

Die Vacuumschmelze GmbH & Co. KG (VAC) ergänzt diese schnellen und effizienten Halbleiter durch optimierte magnetische Bauteile sowie Stromsensoren, die zu einem wesentlichen Teil der Gewichtsreduktion beitragen werden. Dr. Simon Sawatzki, Entwicklung Induktive Bauelemente bei VAC: „Eine erfolgreiche Gewichts- und Volumenreduzierung wird durch neuartige, gekoppelte Induktivitäten aus niederpermeablen, nanokristallinen Ringbandkernen erreicht, die deutlich kompakter und verlustärmer als konventionelle Lösungen sind. Ein weiterer Aspekt ist die Entwicklung von breitbandigen Closed-Loop Stromsensoren, die auch im hohen Frequenzbereich der GaN-Halbleiter den Strom messtechnisch zuverlässig erfassen.“

Von der TH Köln werden die theoretischen Grundlagen für die neuen magnetischen Bauteile geliefert. 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. Dr. Christian Dick, Leiter des Labors für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe.

Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg bewertet die Möglichkeiten, die für die Entwicklung der Hardware zur Verfügung stehen und bereitet die Integration der neuen Bauteile in einen Technologiedemonstrator vor. Prof. Dr. Marco Jung, der die Professur für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik innehat und die Abteilung Stromrichter und elektrische Antriebssysteme am Fraunhofer IEE leitet, sagt dazu: „Gerade eine funktionierende Ansteuerelektronik für die schnell schaltenden GaN-Halbleiter zu entwickeln, stellt eine wesentliche Herausforderung dar.“

Am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE übernimmt Dr. Sebastian Sprunck, Gruppenleiter Bauelemente und Messsysteme, die Koordination des Projekts. „Die Aufgabe des Fraunhofer IEE ist es, die neu entwickelten Bauteile zu untersuchen und ihren Betrieb so effizient wie möglich zu gestalten. Mit diesen neuen Bauteilen wird anschließend in unseren Laboren ein Technologiedemonstrator aufgebaut, an dem die Funktion der neuen Technologien und die angestrebte Gewichtsreduktion im Praxiseinsatz validiert und weitere Schritte zur Optimierung des Systems abgeleitet werden.“

Das Projekt GaN-HighPower wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit circa 3,8 Millionen Euro gefördert.