Mit Siliziumkarbid-Halbleitern Material einsparen

© Fraunhofer IEE

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2-stufige Topologie des PV-Wechselrichters mit Silizium-Karbid-Halbleitern (1-phasige Darstellung Wechselrichter)

Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Silizium-Karbid-Leistungshalbleitern können sehr schnelle und verlustarme unipolare Bauelementkonzepte wie MOSFET oder Schottkydioden auch für hohe Sperrspannungen wie in Photovoltaik-Wechselrichtern sinnvoll realisiert werden.

Durch diese Eigenschaften ist es möglich Wechselrichterschaltungen mit erheblich höheren Taktfrequenzen einzusetzen und gleichzeitig die Verluste zu senken. Im Fall von Photovoltaik-Wechselrichtern lässt sich so eine deutlich höhere Leistungsdichte umsetzen, da nun magnetische Elemente (gewichts- und kostenbestimmend) deutlich kleiner ausgeführt werden können. Auch beim Kühlkörper als weiteres volumentreibendes Element sind Einsparungen möglich.

Zusammen mit Partnern aus der Industrie hat das Fraunhofer IEE in Kassel in dem vom BMWi und BMBF geförderten Forschungsprojekt PV-LEO einen Demonstrator eines PV-Wechselrichters mit 30 kVA Leistung entwickelt, der die Vorteile von SiC-Halbleitern in der Anwendung aufzeigt.

Bei herkömmlichen Wechselrichtersystemen, die mit typischen Taktfrequenzen von 17 kHz arbeiten, haben die Drosselkomponenten und die Kühlung, einen Anteil am Gesamtgewicht des Systems von bis zu 50 %. Durch die Erhöhung der Taktfrequenz auf 50 kHz konnte das Gewicht der Drosselkomponenten in etwa halbiert werden. Aufgrund der kleineren Bauform der Drosseln müssen beim Aufbau allerdings zusätzliche Maßnahmen zur Entwärmung getroffen werden, um Hotspots innerhalb der Bauteile zu vermeiden.

Das erreichte Leistungsgewicht des neu entwickelten Gesamtsystems beträgt 0,93 kg/kW. Durch den Einsatz von SiC-Halbleitern lässt sich somit eine deutliche Gewichtsreduktion gegenüber dem Stand der Technik (2,3 kg/kW im Mittel) erreichen.

Trotz erheblich höherer Aufwendungen für SiC-Halbleiter kann bereits auf Systemebene eine Verbesserung der Kostenposition für den Hersteller dieser Systeme erreicht werden. Daher wird eine sehr schnelle Durchdringung der neuen SiC-Technologie innerhalb dieses Anwendungsbereichs erwartet.