GaN-HighPower

Grobe Einstufung von Halbleiterbauelementtypen in Abhängigkeit der applikationstypischen Leistung und Schaltfrequenz mit Einordnung des Forschungziels (Bild: Infineon Technologies AG)

Der Bereich der Photovoltaik unterliegt seit vielen Jahren einem enormen Preisdruck, da weltweit sinkende Einspeisetarife niedrige Komponentenpreise erforderlich machen, um eine PV-Anlage wirtschaftlich herstellen und betreiben zu können. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Funktionsvielfalt der Geräte weiterhin an (z. B. universelle Verwendung in PV- und Batterieanwendungen, Netzeinspeisung, Eigenverbrauch und Inselbetrieb, Bereitstellung von Netzdienstleistungen).

Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen zu erforschen und zu erproben, wobei der Fokus auf Stringwechselrichtern mit größerer Leistung im Bereich von 100 kVA liegt. Hierfür sollen Galliumnitrid (GaN) Halbleitermodule zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten induktiven Bauelementen und Stromsensoren erforscht und erprobt werden. Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt. Im Rahmen des Projekts soll der höhere Leistungsbereich durch anwendungsorientierte Forschung für die PV erschlossen werden.

Das Teilvorhaben der TH Köln lautet:

Gekoppelte Wickelgüter auf Basis von niederpermeablen Bandkernen: Möglichkeiten, Grenzen, Benchmark.

Energie-, volumen-, gewichts- und kosteneffiziente Konverter im Netzparallelbetrieb zeigen neben den Halbleitern besondere Herausforderungen hinsichtlich optimierter, magnetischer Komponenten. Es sollen hoch performante, eisenbasierte, nanokristalline und niederpermeable Bandmaterialien für den Einsatz als Filterdrossel analysiert, getestet und validiert werden. Dabei werden bekannte, kostengünstige Lösungen auf Ferrit bzw. Pulververbundwerkstoff verglichen mit Drosseln auf Basis des niederpermeablen Bandmaterials, wobei eine Kostenreduktion nur mit einer signifikanten Reduktion des Volumens/Gewichts erreicht werden kann.

Aufgrund der hohen Leistung werden zur Stromaufteilung für jede Netzphase zwei Inverterzweige vorgesehen. Eine magnetische Verkopplung der Drosselkerne ist hier möglich und bietet die Möglichkeit das Drosselvolumen insgesamt zu verkleinern. In den Benchmark aufgenommen werden magnetisch gekoppelte Drosseln a) auf Basis der genannten niederpermeablen Bandmaterialien sowie b) auf Basis von Materialkombinationen für Streu- und Hauptflusspfade, um ein Kostenoptimum gemeinsam mit den Partnern zu finden. Bei den Optimierungen werden ferner eine automatisiert fertigbare Aufbau- und Verbindungstechnik in enger Kooperation mit den Partnern berücksichtigt. Die diversen Drosseln werden für den Demonstrator zur Verfügung gestellt. Ziel dieses Teilvorhabens sind ferner validierte Gewichts-, Volumen-, und Effizienzmodelle der magnetischen Komponente. Ein Nebeneffekt bei Nutzung der Bandmaterialien besteht in der Eigenschaft dissipative Wirbelströme bei Frequenzen größer 200kHz auszubilden. Ziel des Projektes ist es diesen Effekt zu quantifizieren und zu schlussfolgern, wie stark das HF-EMV-Filter reduziert werden kann.