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Ein Blick in die HGÜ-Geschichte: Neutronen bringen den Durchbruch für HGÜ

Mit Hilfe eines besonderen Verfahrens gelang es den Ingenieuren von Siemens Anfang der 70er Jahre, hochsperrende Thyristoren zu entwickeln – und ermöglichten damit den Bau der HGÜ-Trasse vom Cabora-Bassa Stausee nach Südafrika.

Cabora Bassa Staudamm Bildquelle: © (WT-en) Nic, public domain

Cabora Bassa

Siemens [1] hat sich schon sehr früh mit der HGÜ beschäftigt und war auch wesentlich an der Entwicklung der Hableiter beteiligt, die die HGÜ-Übertragung bei hohen Spannungen erst ermöglichten, beispielsweise beim Cabora-Bassa-Projekt in Mozambique und dem Nelson-River-Projekt in Kanada.

Thyristoren - also steuerbare Gleichrichter - wurden schon früh in der Leistungselektronik eingesetzt, seitdem sie General Electric 1957 vorgestellt hatte. Die Kombination einer npn- und einer pnp-Transistorstruktur erlaubt hohe Ströme in Durchlassrichtung und einen hohe Spannungsfestigkeit in Sperrrichtung. Ein Stromimpuls über das Gate schaltet ihn ein.

1965 baute Siemens bereits Thyristoren mit einer Stromtragefähigkeit von 1.000 A und einer Sperrspannung von 2.500 V. Verbesserungen im Herstellungsverfahren erlaubten es 1970, für die HGÜ-Strecke von Cabora Bassa in Mozambique nach Südafrika Thyristoren mit einem Maximalstrom von 1.570 A und einer Sperrspannung von 3.200 V herzustellen.

Darauf folgte das HGÜ-Projekt "Nelson River" (965 km). Hier wurden Sperrspannungen von 4.000 V gefordert. Dazu war eine sehr gleichmäßige Grunddotierung des Halbleitermaterials erforderlich. Denn Schwankungen in der Dotierung hätten eine größere Basisdicke des Thyristors erfordert, was wiederum andere Eigenschaften unerwünscht verschlechtert  hätte.

Deshalb waren neue Ideen gefragt. Karl Platzöder, damals Leiter des Labors für Großleistungshalbleiter in München Freimann, hatte sie: Durch  Bestrahlung mit Neutronen konnten Siliziumatome in Phosphoratome umgewandelt werden. So ließ sich n-leitendes Silizium herstellen - und die Konzentration hochgenau einstellen.  Damit konnten auch die anspruchsvollen Vorgaben in Nelson River erreicht werden. Laut Karl Platzöder wurden damals die Grundlage für die Herstellung von hochsperrenden Thyristoren gelegt. (Quelle: Jörg  Berner, Vom Wernerwerk zum Campeon, Sternstunden von Siemens Halbleiter und Infineon, 2013, S. 38-62)

Heute finden in der HGÜ-Technik neben den Thyristoren auch IGBTs Einsatz, die 1980 Hans W. Becke und Carl F. Wheathley bei RCA erfunden hatten. 1989 brachte auch Siemens IGBTs auf den Markt, die sich aufgrund einiger technischer Tricks vom Wettbewerb abhoben und sehr erfolgreich wurden. Heute finden auch die IGBTs in den Konverterstationen für HGÜs Einsatz, beispielsweise in den Convertern der Ultranet-Trasse.