GaN-Highpower

GaN-Highpower
Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter

Projektbeschreibung

Der Bereich der Photovoltaik unterliegt seit vielen Jahren einem enormen Preisdruck, da weltweit sinkende Einspeisetarife niedrige Komponentenpreise erforderlich machen, um eine PV-Anlage wirtschaftlich herstellen und betreiben zu können. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Funktionsvielfalt der Geräte weiterhin an (z. B. universelle Verwendung in PV- und Batterieanwendungen, Netzeinspeisung, Eigenverbrauch und Inselbetrieb, Bereitstellung von Netzdienstleistungen).

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 Stringwechselrichtern mit größerer Leistung im Bereich über 100 kVA liegt. Hierfür sollen Galliumnitrid (GaN) Halbleitermodule zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten induktiven Bauelementen und Stromsensoren erforscht und erprobt werden. Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt. Im Rahmen des Projekts soll der höhere Leistungsbereich durch anwendungsorientierte Forschung für die PV erschlossen werden.

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Abbildung: Grobe Einstufung von Halbleiterbauelementtypen in Abhängigkeit der applikationstypischen Leistung und Schaltfrequenz (Quelle: Infineon Technologies AG)

Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg wird in diesem Projekt die Vorauswahl der für das Projekt in Betracht kommenden Topologien mithilfe geeigneter Simulationen und Modellbildungen unterstützen. Dabei liegt der Fokus auf dem Verhalten von schnell schaltenden GaN-Halbleiter-Modulen, die im Verlauf des Projektes von Infineon entwickelt werden. Diese neuartigen Module werden durch die Hochschule an einem eigens im Projekt entwickelten Prüfstand charakterisiert, um genaue Aussagen zum Schaltverhalten in verschiedenen Arbeitspunkten zu treffen. Die Kenntnis des Schaltverhaltens ermöglicht eine optimale Abstimmung der Komponenten, wie z.B. der Gate-Treiber auf das Halbleitermodul um die maximale Effizienz und Performance im späteren PV- und Batterie-Wechselrichter zu erreichen. Eine weitere Hauptaufgabe der H-BRS ist das Entwerfen und Simulieren dieser auf die neuartigen GaN-Halbleitermodule angepassten Gate-Treiber und deren dazugehöriger Spannungsversorgung, sowie die Auslegung des DC-Zwischenkreises. Die schnellen Schalttransienten der Halbleiter-Module stellen besondere Anforderungen an die Ansteuerelektronik, um die Vorteile der GaN-Technologie in der nächsten Generation von PV- und Batteriewechselrichtern großer Leistung optimal nutzen zu können.  

Neben der Hardware wird die Hochschule die Regelung und Betriebsführung mithilfe auf einem für die hohen Schaltfrequenzen geeigneten Prozessor implementieren und durch Simulationen sowie mithilfe des entwickelten Funktionsmusters/ Demonstrators validieren, um einen effizienten und optimalen Betrieb des GaN-Wechselrichters zu gewährleisten.

Projektleitung an der H-BRS

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
E-Mail: 
marco.jung [at] h-brs.de
E-Mail: 
marco.jung [at] iee.fraunhofer.de

Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Geldgeber

Kooperationspartner