Photovoltaik-Stromrichter

Schaltverluste des untersuchten PV-Hochsetzstellers (links) und des PV-Wechselrichters (rechts) in einem exemplarischen Arbeitspunkt, jeweils ohne und mit Nutzung der dazu im Projekt PV-MoVe entwickelten Zusatzbeschaltung.
© Fraunhofer IEE

Kleiner, leichter und kosteneffizienter durch höhere Taktfrequenzen und reduzierte Verluste.

In dem vom BMWK geförderten Projekt »PV-MoVe« haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE in Kassel gemeinsam mit ihren Industriepartnern Infineon Technologies AG und SUMIDA Components & Modules GmbH von 2019 bis 2023 untersucht, wie sich Methoden zur aktiven Reduktion von Schaltverlusten dazu nutzen lassen, Photovoltaik-Stromrichter kleiner, leichter und kosteneffizienter herzustellen. Durch neuentwickelte Zusatzbeschaltungen konnten in einem 50 kW Photovoltaik-Wechselrichter die Schaltfrequenzen in der DC-Eingangsstufe um den Faktor 2,5 bis 3 und der Wechselrichter-Ausgangsstufe um den Faktor 10 bis 12,5 gesteigert werden.

Ziel des Projektes »PV-MoVe – Methoden, Verfahren und Komponenten zur Reduzierung von Schaltverlusten in schnell taktenden PV-Stromrichtern für zielgerichtete Gewichts- und Kostenreduktion« war es, die Schaltverluste der Leistungshalbleiter zu reduzieren, um so höhere Schaltfrequenzen zu ermöglichen. Das eröffnet das Potenzial, PV-Stromrichter kleiner, leichter und kosteneffektiver herzustellen, ohne dass ihre Effizienz dadurch wesentlich beeinträchtigt wird.

»Höhere Schaltfrequenzen der Leistungshalbleiter können dazu genutzt werden, die größen- und gewichtstechnisch dominanten Induktivitäten und Kondensatoren kleiner, leichter und mit geringerem Materialaufwand zu fertigen. Das spart Material und Kosten bei diesen Komponenten ein und bringt zusätzlich Vorteile für das Kühlsystem und das Gehäuse«, erläutert Prof. Dr. Marco Jung die Zusammenhänge. Der Stromrichterexperte leitet die Abteilung Leistungselektronik und elektrische Antriebe des Fraunhofer IEE und ist zugleich Professor an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

Das Projekt PV-MoVe fokussierte sich auf die Nutzung von Zusatzbeschaltungen zur Reduzierung von Schaltverlusten, da diese unabhängig vom Material der Leistungshalb-leiter eingesetzt werden können. »Sie können sowohl für etablierte Silizium (Si)-Technologien genutzt werden, um ähnlich hohe Schaltfrequenzen wie mit den Wide Band Gap (WBG)-Halbleitern Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) zu erreichen, als auch dafür, die ohnehin schon hohen Schaltfrequenzen der WBG-Halbleiter noch weiter zu erhöhen«, erläutert Projektleiter Dr. Sebastian Sprunck vom Fraunhofer IEE. Solche Zusatzbeschaltungen bestehen aus speziellen Kombinationen von Hilfs-Leistungshalbleitern sowie kleineren Resonanzkondensatoren und -induktivitäten. Sie reduzieren die Spannungs- und/oder Strombelastung am Haupt-Leistungshalbleiter wäh-rend seiner Schaltvorgänge, sodass diese „weich“ mit erheblich verringerten Verlusten ein- und ausschalten.

Dazu wurden exemplarisch für einen 50 kW Photovoltaik-Stromrichter für die Teilschal-tungen des Gleichspannungshochsetzstellers und der Wechselrichterstufe geeignete Schaltungen entwickelt, aufgebaut und im Labor untersucht. »Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Schaltverluste der Leistungshalbleiter signifikant reduzieren lassen: für den siliziumbasierten IGBT-Leistungshalbleiter des untersuchten PV-Hochsetzstellers um bis zu -70 % und für die Silizium-Carbid-MOSFET-Leistungshalbleiter des untersuchten PV-Wechselrichters um bis zu -92 %«, stellt Sprunck fest.

Die dafür notwendigen Zusatzbeschaltungen verursachen ihrerseits zwar ebenfalls Ver-luste, jedoch voraussichtlich nicht mehr als jene, die in den Leistungshalbleitern einge-spart werden. Die so eingesparten Schaltverluste können genutzt werden, um die Schaltfrequenz der jeweiligen Leistungshalbleiter deutlich zu erhöhen, ohne eine Über-hitzung zu riskieren. »Rechnerisch lassen sich so für den untersuchten 50 kW PV-Hochsetzsteller mit IGBTs die Schaltfrequenzen ausgehend von 6,6 kHz um den Faktor 2,5 bis 3 steigern. Für den dazugehörigen PV-Wechselrichter mit einer Interleaved SiC ANPC-Topologie ist ausgehend von 36,6 kHz eine Erhöhung um den Faktor 10 bis 12,5 möglich«, stellen die Expert:innen abschließend fest.

Die Fraunhofer-Forschenden arbeiten nun daran, die entwickelten Technologien in ei-nem integrierten Systemdemonstrator auf ihre Praxistauglichkeit hin zu untersuchen und weitere Anwendungen, wie z. B. Batterie-, Antriebs-, oder Brennstoffzellenwechselrich-ter zu erschließen.

Das Projekt PV-MoVe wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz von 2019 bis 2023 mit insgesamt 2,8 Mio. € gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Sebastian Sprunck

Weitere Informationen:

https://www.iee.fraunhofer.de/de/presse-infothek/Presse-Medien/2023/photovoltaik…

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Uwe Krengel Pressestelle
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

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