GaN-HighPower - Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter; Teilvorhaben: Analyse von Technologieoptionen für den optimalen GaN-Einsatz im Gerät

Abstract

Die Leistungselektronik ist ein Schlüsselelement der Energieversorgungstechnik. Zur Sicherung internationaler Wettbewerbsfähigkeit der entsprechenden Stromrichtertechnik und für eine nachhaltige, resiliente und kostengünstigere solare Energieversorgung bedarf es hier weiterhin signifikanter technologischer Fortschritte. Nur so können die noch notwendige Kostensenkung und die Erfüllung der neuen Nachhaltigkeits-, Lebensdauer- und Resilienz-Anforderungen erreicht werden. Hierfür gilt es, neue technologische Innovationsideen zu identifizieren und im Hinblick auf Umsetzbarkeit und erzielbare Vorteile zu bewerten sowie die zukünftige Anwendung in der Gerätetechnik praxistauglich vorzubereiten. Ein attraktives und noch unerschlossenes Potenzial bieten dabei u.a. die neuen GaN-Leistungshalbleiter und magnetischen Materialien, darauf aufbauende Bauelemente sowie neue bzw. optimierte Schaltungs- & Gerätekonzepte. Leitziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower mit Partnern aus der Halbleiter- & Elektronikindustrie, der Stromrichtertechnik und entsprechenden Forschungseinrichtungen, war es daher, den Einsatz von GaN-Leistungshalbleiter-Bauelementen in Solarwechselrichtern größerer Leistung vorzubereiten und hierfür neue Technologien zu entwickeln sowie damit verbundene Technologieoptionen der Gerätetechnik zu untersuchen. In diesem Rahmen befasste sich das Teilvorhaben von SMA vor allem mit der Analyse und dem Verständnis der noch bestehenden technischen Probleme der GaN-Wechselrichtertechnik im höheren Leistungsbereich (einschließlich vergleichender Untersuchungen mit konventionellen und alternativen Ansätzen), der Lösung spezieller technologischer Fragestellungen, die mit einem zukünftigen GaN-Einsatz und der Umsetzung in praktische Gerätetechnik verbunden sind sowie der Erarbeitung innovativer Technologielösungen für kompakte Wechselrichter der Hundert-Kilowattklasse und der Evaluation der Lösungen der Projektpartner. Mit der im Verbundprojekt insgesamt als gemeinsamer Demonstrator realisierten, neuartigen Funktionsmusterlösung eines 150 kW SiC-Wechselrichters einerseits und den im Teilvorhaben von SMA gewonnen Erkenntnissen zu neuen Technologieansätzen für Solar- und Batteriewechselrichter der Hundert-Kilowattklasse – als technologische Voraussetzung für eine neue Wechselrichtergeneration – andererseits, konnten vielfältige technische Grundlagen für eine zukünftig noch kostengünstigere, zuverlässigere und nachhaltigere Solarstromerzeugung erarbeitet werden. Power electronics is a key element of energy supply technology. Significant technological advances are still needed to achieve the required future cost reductions and to meet the new sustainability, reliability and resilience requirements. To this end, it is necessary to identify new technological innovation ideas, evaluate them in terms of feasibility and achievable benefits and prepare them for practical application in PV and battery inverter technology. Attractive potential is offered by, among other things, the new GaN semiconductor components and magnetic materials and new or optimized circuit and device concepts. The main objective of the joint research project GaN-HighPower with partners from the semiconductor, electronics and inverter industry and the relevant research institutions was therefore to prepare for the use of GaN semiconductor components in high-power PV inverters, to develop new technologies for this purpose and to investigate related technology options in device technology. Within this context the sub-project of SMA focused primarily on analyzing and understanding the technical problems associated with GaN inverter technology in the higher power range (including comparative studies with conventional and alternative approaches), solving specific technological issues associated with future GaN use and implementation in practical inverter technology, developing innovative technological solutions for compact inverters in the hundred-kilowatt class and evaluating the solutions developed by the project partners. The prototype solution of a 150 kW SiC inverter realized as a joint demonstrator in the joint project on the one hand, and the knowledge gained in SMA's subproject on new technological approaches for solar and battery inverters in the hundred-kilowatt class on the other, have laid a wide range of new technological foundations for even more cost-effective, reliable and sustainable solar power generation in the future.