Hochvolt-Siliziumkarbid-Wechselrichter dient der Netzstabilisierung

100 kVA Wechselrichter mit 15 kV Transistoren aus Siliciumkarbid (Foto: Fraunhofer ISE)
100 kVA Wechselrichter mit 15 kV Transistoren aus Siliciumkarbid (Foto: Fraunhofer ISE)
30.05.2018

Forscher des Fraunhofer ISE melden die erfolgreiche Inbetriebnahme eines neu entwickelten PV-Wechselrichters zur direkten Einspeisung in das Mittelspannungsnetz. Dabei erlaubt der Einsatz von Hochvolttransistoren aus Siliziumkarbid (SiC) den Verzicht auf einen zusätzlichen Transformator.

Der dreiphasige Wechselrichter könne sowohl zur Blindleistungsregelung als auch zur aktiven Filterung von unerwünschten Oberschwingungen im Stromnetz eingesetzt werden, teilt das Fraunhofer ISE mit. Ziel der Freiburger Entwickler ist eine hohe Stabilität in künftigen Stromnetzen mit hohem EE-Anteil.

Im neuen Wechselrichter kommen Hochvolt-Transistoren auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) zum Einsatz, bei den ersten Prototypen mit Sperrspannungen bis 15 kV. Durch die höheren Sperrspannungen von SiC-Halbleitern lasse sich die Anzahl der benötigten Bauelemente in einem Stromrichter reduzieren und damit die Effizienz und Kompaktheit steigern, so das Fraunhofer ISE. Ebenso besitzen die SiC-Transistoren sehr geringe Schaltenergien, was hohe Schaltfrequenzen im Wechselrichter ermögliche. Die passiven Bauelemente könnten dadurch kleiner dimensioniert werden. Ein kompakter Wechselrichter ohne Transformator biete zudem innerstädtisch auch die Möglichkeit zur Nachrüstung in Bestandsanlagen der Mittelspannung.

»Der Einsatz der hochsperrenden SiC-Transistoren stellt uns aber auch vor neue Herausforderungen«, sagt der Projektleiter Dirk Kranzer. »Die Transistoren schalten sehr schnell. Die extrem hohen Spannungssteilheiten während der Schaltvorgänge können Störungen verursachen oder auch zu Teil- und Gleitentladungen in den Isolationen führen. Bei der Schaltungsentwicklung musste daher großer Wert darauf gelegt werden, diese unerwünschten Effekte zu minimieren. Für einen kommerziellen Einsatz sind zukünftig noch Weiterentwicklungen in unterschiedlichen Technologiebereichen notwendig, etwa bei den Leistungsmodulen oder den induktiven und kapazitiven Bauelementen.«

Die Leistung des Demonstrators zur Einspeisung in das 10 kV-Netz beträgt 100 kVA. Die Schaltfrequenz liegt mit 16 kHz etwa um den Faktor 10 höher als bei Mittelspannungsumrichtern mit Siliziumhalbleiter-Bauelementen. Als Transistoren kamen 15 kV / 10 A SiC-MOSFETs  zum Einsatz. Die induktiven Bauelemente wurden vom Projektpartner STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH entwickelt.

Neben der Stabilisierung der Mittelspannungsnetze sind noch viele weitere Anwendungen mit Hochvolt-SiC-Bauelementen absehbar. »Wir sehen ein großes Potenzial bei zukünftigen Anwendungsgebieten für Leistungselektronik in der Mittelspannung«, so Prof. Dr. Bruno Burger, Gruppenleiter »Neue Bauelemente und Technologien« am Fraunhofer ISE. »Denkbar sind völlig neue Systemarchitekturen bei regenerativen Kraftwerken, wie etwa großen Photovoltaikanlagen im Megawatt-Bereich oder Windparks. Aber auch für die Bahnindustrie oder große Batteriespeicheranlagen ist die neue Technik sehr vielversprechend.«

Der Wechselrichter wurde im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Förderinitiative »Zukunftsfähige Stromnetze« geförderten Projekts »HV-SiC« entwickelt.

SW&W / Fraunhofer ISE