Projektabschlussbericht GaN-HighPower: Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter; Teilvorhaben des Fraunhofer IEE: Entwicklung eines Demonstrators für PV-Anwendungen auf GaN Basis

Abstract

Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower war es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaik-Anwendungen zu erforschen und zu erproben, wobei der Fokus auf Stringwechselrichtern mit größerer Leistung im Bereich von 150 kVA lag. Hierfür sollten Galliumnitrid (GaN) Halbleitermodule zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten induktiven Bauelementen und Stromsensoren erforscht und erprobt werden. Die GaN-Technologie ermöglicht aufgrund ihrer großen Bandlücke (Wide Band Gap, WBG) eine Miniaturisierung des Halbleiterchips, was sich wiederum für höhere erreichbare Schaltfrequenzen nutzen lässt. Dadurch sinkt die Energie, die in den passiven Bauteilen (Induktivitäten, Kapazitäten) einer Schaltung kurzfristig gespeichert werden muss, wodurch diese ebenfalls deutlich kleiner und leichter ausfallen können, was wiederum Kosten und Ressourcenverbrauch senkt. Damit die GaN-Halbleiter diese Optionen eröffnen können, braucht es jedoch Treiberschaltungen, die diese Halbleiter auch bei hohen Leistungen zuverlässig und effizient ansteuern können, sowie eine dazu passende Systemregelung. Diese neuen Ansätze für Halbleiter und induktive Bauteile sollten mit einer neuen Stromsensorik kombiniert werden, die in der Lage ist, die hohen Schaltfrequenzen der Halbleiter messtechnisch zu erfassen. The goal of the collaborative research project GaN-HighPower was to investigate and test the next generation of cost-effective, resource-saving, and efficient power converters for photovoltaic applications, focusing on string inverters with a higher output power in the range of 150 kVA. For this purpose, gallium nitride (GaN) semiconductor modules were to be researched and tested alongside application-oriented, significantly improved inductive components and current sensors. The GaN technology enables miniaturization of the semiconductor chip due to its wide bandgap (Wide Band Gap, WBG), which can be utilized for achieving higher switching frequencies. As a result, the energy that must be temporarily stored in the passive components (inductors, capacitors) of a circuit decreases, allowing these components to be significantly smaller and lighter, thereby reducing costs and resource consumption. However, to enable GaN semiconductors to unlock these options, driver circuits are needed that can reliably and efficiently control these semiconductors at high power levels, along with an appropriate system control. These new approaches for semiconductors and inductive components should be combined with a new current sensing technology capable of accurately measuring the high switching frequencies of the semiconductors.