GaN-HighPower "Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter"; Teilvorhabenbeschreibung der VACUUMSCHMELZE GmbH & Co KG: Entwicklung und Bereitstellung von Induktivitäten und Stromsensoren

Abstract

Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen zu erforschen und zu erproben, wobei der Fokus auf Stringwechselrichter mit größerer Leistung im Bereich von 150 kVA liegt. Hierfür sollen Galliumnitrid (GaN) Halbleitermodule zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten induktiven Bauelementen und Stromsensoren erforscht und erprobt werden. Im Rahmen von GaN-HighPower wurde dazu ein Demonstrator-Inverter aufgebaut. Im Zuge dessen wurde gezeigt, dass mit dem anvisierten Konzept der gekoppelten Induktivitäten eine Gewichtseinsparung von 50% realisiert wurde. Zum einen wurde diese Einsparung durch die magnetische Kopplung erzielt, zum anderen durch den Einsatz von nanokristallinen Bandmaterial mit niedriger Permeabilität und niedrigen Verlusten. Die Erhöhung der Schaltfrequenz hatte ebenfalls einen Beitrag, jedoch zeigte sich bei der Betrachtung des Gesamtsystems eine optimale Schaltfrequenz bei 70kHz anstatt der bei der Antragstellung anvisierten 140kHz. Durch die Erhöhung der Gesamt-Leistungsdichte des Inverters, ist es möglich Material einzusparen und Ressourcen zu schonen. Bei der Übertragung dieser Erkenntnisse in die Serie, kann der PV-Standort Deutschland durch die Entwicklung effizienterer PV-Wechselrichter gestärkt werden. Im Zuge der Entwicklung des Demonstrator-Inverters wurde weiterhin ein closed-loop Stromsensor mit hoher Bandbreite und höher Genauigkeit entwickelt, der es ermöglicht Ströme bis 800kHz zuverlässig zu messen. Dieser Sensor ist bereit zur Einführung in die Serie für PV-Inverter der nächsten Generation mit schnellschaltenden GaN Halbleitern. Diese Möglichkeit stärkt den Umsatz im PV-Geschäft und damit den Standort Deutschland. Es wurden alle anvisierten Meilensteine innerhalb des Projektvorhabens und innerhalb der Projektverlängerung erfüllt. The aim of the GaN-HighPower joint research project is to research and test the next generation of cost-effective, resource-saving and efficient power converters for photovoltaic applications, with a focus on string inverters with power in the 150 kVA range. For this, gallium nitride (GaN) semiconductor modules are to be researched and tested together with application-oriented greatly improved inductive components and current sensors. Therefore, a demonstrator inverter was built within GaN-HighPower project. It was shown that a weight saving of 50% was achieved with the envisaged concept of coupled inductors. On the one hand, this saving was achieved by magnetic coupling, and on the other hand, by the use of nanocrystalline strip material with low permeability and low losses. The increase in the switching frequency also had a contribution, but when looking at the overall system, an optimal switching frequency of 70 kHz instead of the 140 kHz envisaged in the application was found. By increasing the overall power density of the inverter, it is possible to save material and conserve resources. When transferring these findings to series production, Germany can be strengthened as a PV location by developing more efficient PV inverters. Within the development of the demonstrator inverter, a closed-loop current sensor with high bandwidth and high accuracy was also developed, which makes it possible to reliably measure currents up to 800kHz. This sensor is ready to be introduced into series production for next-generation PV inverters with fast-switching GaN semiconductors. This opportunity strengthens sales in the PV business and thus Germany as a business location. All targeted milestones within the project and within the project extension were met.