Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter; Teilvorhaben: Ansteuerverfahren und Treiber

Abstract

Im Projekt wurde ein Photovoltaik-Wechselrichter mit neuartigen Leistungshalbleitermodulen aus Gallium-Nitrid (GaN) sowie gekoppelten Induktivitäten erforscht. Ziel war es, die GaN-Technologie in einem neuen, höheren Leistungsbereich anzuwenden als im bisherigen Stand der Technik. Anvisiert wurde eine Gewichtsreduktion durch die Erhöhung der Schaltfrequenz mithilfe der Wide-Bandgap (WBG) Leistungshalbleiter. Diese höheren Schaltfrequenzen ermöglichen die Reduzierung bzw. Verkleinerung magnetischer Filterkomponenten. Unterstützt wurde die angestrebte Gewichtseinsparung durch den Einsatz gekoppelter Induktivitäten, die durch ihren Aufbau einen Vorteil gegenüber nicht gekoppelten Bauteilen aufweisen. Zu Beginn des Projektes wurden verschiedene Topologien auf ihre Eignung untersucht. Im Projekt lag das Augenmerk auf der Reduzierung des Systemgewichts und der einhergehenden Ressourceneinsparung. Das Hauptaugenmerk der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg lag in der Auslegung des Treibers für die neuartigen Leistungsmodule. Hierbei wurden verschiedene Gate-Netzwerke aus der Literatur untersucht und das geeignetste für die Leistungshalbleiter ausgelegt und anschließend messtechnisch validiert. Die erhöhten Schaltfrequenzen bei WBG-Halbleitern stellen des Weiteren erhöhte Anforderungen an den DC-Zwischenkreis dar. Eine herkömmliche Auslegung mit Elektrolytkondensatoren führt hierbei zu viel Gewicht, weshalb ein hybrider Zwischenkreis (Elektrolyt und Folie) ausgelegt wurde. Das Projekt hat verschiedene wichtige Bereiche zur Einsparung von Ressourcen untersucht und verschiedene Herausforderungen auf dem Weg von GaN-Leistungshalbleitern in den Bereich von Leistungen bis 150 kVA aufgezeigt und gemeistert.