Moderne Leistungselektronik mutiert zum Innovationsmotor

Die Leistungselektronik stellt sich heute als branchenübergreifende Schlüsseltechnologie dar. Mit dem Vordringen in immer höhere Spannungs- und Strombereiche erwachsen völlig neue Anwendungsbereiche, die sich von der Automobilindustrie über Industrienetze bis hin zur Photovoltaik erstrecken. Zu diesem Ergebnis kamen eine Reihe von internationalen Experten anlässlich einer Tagung, zu der die Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG) nach Dresden eingeladen hatte.

Sinkende Kosten, verbesserte Zuverlässigkeit und höhere Leistungsdichte durch Fortschritte in den Bereichen Halbleitertechnik, Schaltungsentwurf, Herstellungsverfahren und Simulationstechnik haben der Leistungselektronik zu Beginn des 21. Jahrhunderts ein weiteres Anwendungsgebiet erschlossen als je zuvor. Bei steigender Diversifikation wächst der Markt für Leistungselektronik zurzeit stärker als die Elektroindustrie insgesamt.

„Leistungselektronische Innovationen werden auch im niederen Leistungsbereich durch die Anbindung von Photovoltaik- und Brennstoffzellenanlagen gefördert“, verdeutlicht Prof. Dr. Rik W. de Doncker vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe an der RWTH Aachen. Gleiches gelte für das mit enormen Marktchancen verbundene Feld der Automobil-Elektronik, das besondere Maßstäbe bei den Anforderungen an Zuverlässigkeit, Integration und thermische Belastbarkeit setze. Dies betreffe insbesondere den Bereich der Antriebssysteme.

Nach Ansicht von de Doncker wird die Zukunft der Leistungselektronik durch zwei unterschiedliche Entwicklungen geprägt sein. Zum einen, so der Experte, werde mittelfristig der Integration eine Schlüsselrolle zukommen. Dabei seien sowohl neue Materialien als auch kosteneffektive und umweltgerechte Herstellungsprozesse zu berücksichtigen. Langfristig sieht der Experte wiederum neue Technologien auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder anderer hitzebeständiger Halbleitermatermaterialien heranreifen. Diese seien in der Lage, die Leistungsdichte derzeitiger elektronischer Komponenten um Größenordnungen zu erhöhen. Dies werde völlig neuartige Topologien erfordern und die Entwurfskriterien leistungselektronischer Komponenten und Systeme stark verändern.

Höhere Spannung im Automobil

Sowohl SiC als auch GaN verfügen im Vergleich zum Silizium über deutlich verbesserte Eigenschaften. So besitzen beide Halbleiter eine etwa zehnfach höhere Durchbruchfeldstärke, so dass eine wirtschaftliche Fertigung von MOSFETs mit einer Scherspannung von bis zu 10 kV ermöglicht wird. Die derzeitigen Forschungsarbeiten beschäftigen sich in erster Linie mit der Implementierung der Fertigungstechnologien für diese neuen Materialien. Aus SiC gefertigte Schottkydioden sind bereits kommerziell verfügbar. In Form von Samples können auch einige Halbleiterschalter von einigen Firmen bezogen werden.

Das in Automobilen derzeit verfügbare 14V-Bordnetz wird in absehbarer Zukunft nicht mehr ausreichen, um die Energieversorgung der weiter ansteigenden Zahl elektronischer Verbraucher zu gewährleisten. So kommen neben dem Ersatz hydraulischer Systeme neue Funktionen wie Brake-by-Wire und Steer-by-Wire für die Elektronik hinzu, was einen vergrößerten Bedarf an elektronischer Leistung erforderlich macht. Zurzeit ist eine Bordspannung von 42 V im Gespräch, wobei die Herausforderung darin besteht, sämtliche Verbraucher an die diese Versorgungsspannung anzupassen. Auch wesentlich höhere Bordnetzspannungen sind denkbar, wobei allerdings zusätzliche Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen.

Sicherung der Spannungsqualität in Industrienetzen

In vielen Industrienetzen liegt der Anteil von leistungselektronischen Verbrauchern bei über 80%, was eine Reihe spezifischer Probleme hinsichtlich der Spannungsqualität nach sich zieht. Damit wird es immer wichtiger, bereits bei der Anlagenplanung neben prozesstechnischen Aspekten vor allem auch die Spannungsqualität mit zu berücksichtigen. „Trotz sorgfältiger Planung ist es in vielen Fällen nicht vermeidbar, dass immer noch Störungen auftreten, weil das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen beteiligten Geräte unterschiedlicher Hersteller im Detail nicht vorab berechenbar ist“, räumt Christian Unger von der Erlanger Siemens AG ein. Für die rasche Erkennung und aufwandsarme Beseitigung von Störquellen sei eine dauernde Überwachung wichtiger Spannungsparameter wie Grundschwingungsamplitude und transienter Spannungen sehr hilfreich, um die Störungsursachen zeitlich mit prozesstechnischen Vorgängen zu verknüpfen und die Störungsursache schneller lokalisieren zu können.

Als mögliche Maßnahmen zur Sicherung einer ausreichenden Spannungsqualität empfahl Unger beispielsweise

• den Einsatz höherpulsiger Schaltungen zur Reduzierung der Oberschwingungsaussendung,
• bereits in der Planungsphase auf eine ausreichende Kurzschlussleistung im gesamten Netz zu achten und
• bei Umrichtern eine Vergrößerung der Kommutierungsdrossel ins Auge zu fassen, um deren Störanfälligkeit zu minimieren.

Herausforderungen an die Leistungselektronik im Bereich der Photovoltaik

Der große Erfolg der Photovoltaik im Bereich der Netzeinspeisung wäre ohne die enormen Fortschritte in der Systemtechnik undenkbar gewesen. So hat zum Beispiel die Einführung der String-Technik für netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen deren Aufbau revolutioniert. „Die Entwicklung von Wechselrichtern mit mehreren unabhängigen Eingängen gemäß der Multi-String-Technologie und intelligente Konzepte zur Reduzierung der Verluste bei niedriger Einstrahlung haben den Einsatz der Sonnenenergie zur Stromerzeugung weiter vorangebracht“, resümiert Günther Cramer, Vorstand der SMA Technologie AG in Niestetal.

In Zusammenarbeit mit der Universität Kassel und dem ISET e.V. hat die SMA Technologie AG die Entwicklung modulorientierter String-Wechselrichter maßgeblich vorangetrieben. Die Potenziale seien allerdings noch nicht erschöpft, räumt Cramer ein. Vielmehr erfordere die weitere Verbreitung der photovoltaischen Energiesysteme eine weitere Reduzierung der spezifischen Kosten bei Erhaltung des heutigen Standards in Bezug auf Sicherheit, Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit, elektromagnetische Kompatibilität und Funktionalität. „Nur in einem andauernden Innovationsprozess kann die Grundlage für eine positive Entwicklung des europäischen Photovoltaik-Marktes geschaffen werden“, zieht Cramer Bilanz. Dieser ebene den Weg für die notwendige Verbesserung des Preis-/Leistungsverhältnisses der Photovoltaik.