Fraunhofer ISE

Preiswertere Wechselrichter dank hoher Integration

12. April 2017, 17:05 Uhr | Hagen Lang
Schnittbild durch das PV-Wechselrichtermodell.
© Fraunhofer ISE

In der Forschung zu leistungselektronischen Wandlern steht meist die Erhöhung der Leistungsdichte mittels neuester Halbleitertechnologien und Schaltungstopologien im Fokus. Um dem steigenden Kostendruck einer globalisierten PV-Wirtschaft zu begegnen, sind jedoch neue Forschungsansätze erforderlich.

Forscher des Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entwickeln mit Partnern den Wechselrichter von morgen im Projekt »PV-Pack: Optimierte Kühlungs-, Verbindungs- und Aufbautechnik für effiziente, schnell getaktete und hochintegrierte Photovoltaik-Wechselrichter der Leistungsklasse 10 – 40 kW«.

Fraunhofer ISEs Partner, die SMA Solar Technology AG, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und die Phoenix Contact GmbH & Co. KG versammeln Know-how auf den Gebieten thermisch hochleitfähige Sintermaterialien, Verbindungstechnik sowie Leistungselektronik. Diese wurden sich schnell einig, Wechselrichter bis zur Klasse von 70 kW zu optimieren.

Eine Kostenanalyse der mechanischen und elektromechanischen Komponenten zeigt, dass deren Kostenanteil bei heutigen Geräten bei bis zu 70 % liegt. »Ein Lösungsansatz zur Kostenreduktion besteht darin, die Technologien der verwendeten Komponenten aus den kleineren Leistungsklassen so zu optimieren, dass daraus Geräte mit größerer Leistung entwickelt werden können« so Sebastian Franz, verantwortlich für das Team »Schaltungsentwicklung und Hardware-Design« in der Abteilung Leistungselektronik und Netztechnologien des Fraunhofer ISE.

Zentrales Element des hochintegrierten Konzepts ist der sogenannte »Heiße Kern«. Dabei können mehrseitig die auftretenden Verluste der Halbleiter über den Kühlkörper abgeführt werden. Durch die Abkopplung des Kühlkörpers vom Gehäuse konnten die Entwickler das maximale Temperaturniveau um 30 % anheben und in Verbindung mit Sintermaterialien den Materialeinsatz maßgeblich reduzieren.

Auch bei den Leiterkarten ließen sich durch den Einsatz von Standardtechnologien Kosten einsparen. Der zweistufige leistungselektronische Wandler beinhaltet fünf Hochsetzsteller und eine dreiphasige Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie. Durch die gezielte Verwendung von Siliciumkarbid-Halbleitern (SiC) und den damit verbundenen höheren Taktfrequenzen konnten die passiven Elemente erheblich verkleinert werden, wodurch sich die Leistungsdichte steigern und der Materialeinsatz reduzieren ließ.

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters, inkl. Eigenverbrauch, beträgt 98,8 % und der europäische Wirkungsgrad des Gesamtgeräts liegt bei 98,3 %. Durch den Einsatz von kleineren Komponenten konnte bei einem Bauraum von 110 Litern ein Gesamtgewicht inkl. Gehäuse von 58,5 kg erreicht werden. »Mit 1200 W/kg übersteigt die Leistungsdichte deutlich die von am Markt verfügbaren Geräten« so Sebastian Franz.


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