Wissenschaftsteams aus Industrie und Forschung entwickeln und testen neue Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid für die nächste Generation effizienter und kostengünstiger Photovoltaik-Wechselrichter.

Die Stromerzeugungskosten für Photovoltaik liegen bereits häufiger unter denen von Kohle- und Gaskraftwerken. Trotzdem unterliegt die Technologie weiterhin einem hohen Preisdruck. Das gilt auch für Wechselrichter als wesentliche Elemente der Anlagen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Funktionsvielfalt. So werden beispielsweise technische Lösungen benötigt, damit Photovoltaikanlagen aktiv dazu beitragen, das Netz zu stabilisieren und gleichfalls den erzeugten Strom in das europäische Verbundnetz einspeisen können. Zudem sollen sie sich sowohl für große Anlagen auf Industriedächern und Freiflächen als auch für Photovoltaik-Kraftwerke eignen.

Im Forschungsverbund GaN-HighPower entwickeln Wissenschaftsteams erstmals Hochleistungs-Stromrichter auf Basis von Galliumnitrid-Halbleitern (GaN). Ihr Ziel sind kostengünstige, ressourcenschonende und leistungsstarke Geräte. Dabei fokussieren sie sogenannte Stringwechselrichter (Strangwechselrichter) für Leistungen ab 100 Kilowatt. Diese wandeln Solarstrom eines Strangs von in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen, in Wechselstrom um. So lassen sich Verluste möglichst gering halten, da - je nach Temperatur, Einstrahlung und Verschattung - Module verschiedener Stränge unterschiedlich viel Leistung liefern.

Galliumnitrid-Halbleiter für schnell schaltende Wechselrichter

Momentan nutzt die Industrie GaN-Halbleiter bereits für kleinere Leistungsbereiche, beispielsweise für Netzteile von Handys oder Laptops (Leistung circa 10 - 200 Watt) oder in ersten Prototypen im Automobilbereich (Leistung circa 1 - 10 Kilowatt). Hier sind schnelle Schaltvorgänge und hohe Frequenzen gewünscht, die GaN-Halbleiter im Vergleich zur Siliziumkarbid (SiC)-Technologie (circa 70 Kilohertz) und gegenüber klassischen Silizium (Si)-Bauteilen (circa 10 bis 20 Kilohertz) bereits ermöglichen. Vorteil hoher Schaltfrequenzen sind kleinere magnetische Bauteile des Wechselrichters, wie beispielsweise Drosseln, die dazu genutzt werden, die Sinuswellenform zu korrigieren. Das spart Gewicht und Kühlleistung.

Im Verbund GaN-HighPower peilen die Forscherinnen und Forscher Schaltfrequenzen ab 140 Kilohertz bei gleichzeitig hoher Leistung, größer 100 Kilowatt, an. Hierin besteht die zentrale Herausforderung des Projekts. Weitere Forschungsarbeiten gelten den magnetischen Bauteilen der Wechselrichter, die als gekoppelte Induktivitäten ausgeführt werden, damit diese künftig kompakter und verlustärmer als die momentan verwendeten Komponenten werden. So lassen sich Gewicht, Größe und Kosten der Geräte reduzieren.

Zudem entwickeln die Wissenschaftsteams Stromsensoren, die auch im hohen Frequenzbereich den Strom zuverlässig erfassen und erforschen eine neue Ansteuerelektronik für die Halbleiter. Daneben müssen Fragen geklärt werden, wie sich die neuen Bauteile in das Gesamtsystems eines Wechselrichters integrieren lassen und welche Anforderungen sich aus der Kombination hoher Leistungen mit hohen Schaltfrequenzen ergeben.

Neue Technologien im Demonstrator testen

Die Forschenden testen die entwickelten Komponenten abschließend in einem Technologiedemonstrator. Hierbei überprüfen sie die Bauteile hinsichtlich Funktionalität, Rohstoffverbrauch, Gewicht und Kosten, um das Gesamtsystem weiter zu optimieren. Beispielsweise lassen sich leichte Wechselrichter einfacher - ohne maschinelle Hilfe - installieren, ein wichtiger Aspekt für die Praxis. Zudem können Rohstoffe für Gehäuse, Kühlkörper und induktive Bauteile eingespart werden, was letztendlich ebenfalls die Kosten reduziert. (mm)