Fraunhofer ISE entwickelt kompakten USV-Wechselrichter

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat einen kompakten und effizienten Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) von elektrischen Geräten entwickelt. Dabei seien neuartige Bauteile aus Siliziumkarbid, die gemeinsam mit einem Industriepartner entwickelt worden seien, zum Einsatz gekommen, teilte das Freiburger Institut am Donnerstag mit. Der Wirkungsgrad des dreiphasigen Wechselrichters liege bei 98,7 Prozent.

Mit Einsatz von Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC) hätten die Wissenschaftler den Aufbau eines USV-Wechselrichters mit einer Leistung von zehn Kilowatt und fünf Liter Volumen demonstrieren können und dennoch den hohen Wirkungsgrad von 98,7 Prozent erreicht. Die guten dynamischen und statischen Eigenschaften der SiC-Transistoren ermöglichten eine Taktfrequenz von 100 Kilohertz. Diese Taktfrequenz sei etwa um den Faktor fünf höher als bei herkömmlichen leistungselektronischen Bauelementen aus Silizium, ohne dass die Verluste in den Halbleitern wesentlich ansteigen. Zugleich konnten damit die passiven Speicherelemente wie Drosselspulen und Kondensatoren im System kleiner dimensioniert werden, wie die Forscher des Fraunhofer-ISE erklären. Zudem sei ein kompaktes Kühlsystem für die Transistoren eingesetzt worden. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten ließen sich auf andere Bereiche der leistungselektronischen Energiewandlung wie Elektromobilität oder mobile Stromversorgung übertragen.

Ausgangspunkt für das nun abgeschlossene Forschungsprojekt des Fraunhofer ISE sei gewesen, dass Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) bei Störungen im Stromnetz die Versorgung elektrischer Geräte sicherstellten. In Kombination mit einer Batterie können so Versorgungsstörungen verschiedener Länge überbrückt werden. Für besonders kritische Verbraucher wie Rechenzentren bieten sogenannte Online USVs den höchsten Schutz, da sie zwischen Netz und Last geschaltet werden und damit sämtliche vom Netz ausgehenden Störungen kompensieren, wie es weiter hieß. Während des störungsfreien Normalbetriebs werde sämtliche Energie über den USV-Wechselrichter übertragen, so dass der Wirkungsgrad des Wechselrichters einen großen Einfluss auf die Betriebskosten habe. Den Technologiedemonstrator habe das Fraunhofer ISE im Auftrag der Firma Rohm Semiconductor entwickelt.

„Insgesamt spart diese Bauweise Kosten und Material auf Systemebene. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Taktfrequenz von 16 Kilohertz reduzieren sich im von uns entwickelten USV-Wechselrichter die Größe und der Preis der Hauptinduktivität um ca. zwei Drittel“, sagt Cornelius Armbruster, Entwicklungsingenieur im Team „Neue Bauelemente und hocheffiziente Umrichter“ am Fraunhofer ISE. Für die Anwendung in sogenannten Online USV-Systemen spiele der Wirkungsgrad eine noch bedeutendere Rolle als die Materialeinsparungen, da diese nicht nur kurzfristige Spannungseinbrüche im Netz kompensieren, sondern elektrische Geräte permanent über die USV mit Strom versorgen. Im Vergleich zu einem herkömmlichen System mit ca. 97,4 Prozent Wirkungsgrad könnten mit dem neu entwickelten Demonstrator bis zu 40 Prozent der jährlichen laufenden Betriebskosten an Strom eingespart werden. (Sandra Enkhardt)