Fraunhofer IEE und Partner entwickeln neuartige netzdienliche Photovoltaik-Wechselrichter

Photovoltaik-Wechselrichter der nächsten Generation müssen nicht nur die Einspeisung von Strom ermöglichen, sondern auch netzstützend agieren. Daher entwickelt und erprobt ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen jetzt im Projekt GaN-HighPower neuartige Hard- und Software, die dieser Anforderung gerecht wird. Der Fokus liegt dabei auf String-Wechselrichtern mit hoher Leistung. Koordiniert wird das Projekt vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE. Das Bundeswirtschaftsministerium unterstützt das Vorhaben mit fast vier Millionen Euro.

„In diesem Projekt soll die Nutzung neuester Technologien für Photovoltaik-Wechselrichter erforscht und erprobt werden, um eine Kosten- und Gewichtsreduktion bei weiterhin sehr hoher Effizienz zu ermöglichen“, erklärt  Klaus Rigbers, bei SMA im Innovation Center zuständig für die Leistungselektronik. Das Unternehmen steuert im Projekt die Herstellerperspektive bei.

Wechselrichter mit Halbleitern auf Basis von Galliumnitrid (GaN)

Konkret beschäftigen sich die Forscher unter anderem mit dem Einsatz von Halbleitern auf Basis von Galliumnitrid (GaN), die Infineon beisteuert. „Bisher ist die Anwendung der GaN-Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt“, erläutert Peter Friedrichs, Vice President Division Industrial Power Control bei Infineon. „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 nun erforscht werden, inwieweit die bis­herigen Grenzen der GaN-Technologie nach oben erweitert werden können.

Das Unternehmen Vacuumschmelze (VAC) ergänzt diesen Halbleiter durch optimierte magnetische Bauteile sowie Stromsensoren, die wesentlich zur Gewichts- und Volumenreduktion beitragen sollen. Das sollen neuartige, gekoppelte Induktivitäten aus niederpermeablen, nanokristallinen Ringbandkernen gewährleisten, die nach Angaben von VAC 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“, erläutert Simon Sawatzki, Entwicklung Induktive Bauelemente bei VAC.

Die Technische Hochschule 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 Christian Dick, Leiter des Labors für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe der TH Köln.

Ansteuerelektronik als wesentliche Herausforderung

Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg wiederum bereitet unter anderem die Integration der neuen Bauteile in einen Technologiedemonstrator vor. „Gerade eine funktionierende Ansteuerelektronik für die schnell schaltenden GaN-Halbleiter zu entwickeln, stellt eine wesentliche Herausforderung dar“, sagt Marco Jung, der an der Hochschule die Professur für Elektromobilität und elektrische Infrastruktur mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik innehat und die Abteilung Stromrichter und elektrische Antriebssysteme am Fraunhofer IEE leitet.

Das Fraunhofer IEE übernimmt neben der Koordination des Projekts die Aufgabe, 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“, erklärt Sebastian Sprunck, Gruppenleiter Bauelemente und Messsysteme beim Fraunhofer IEE.