18.04.2017
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Leistungselektronik

Leistungsdichte von Wechselrichtern erhöht

1,2 Kilowatt pro Kilogramm: Das Fraunhofer ISE hat zusammen mit SMA, dem Fraunhofer IFAM und Phoenix Contact einen Wechselrichter mit enormer Leistungsdichte entwickelt. Dabei wurde der komplette Aufbau des Geräts verändert.

 - Die Leiterplatten sind das elektronische Herz des Wechselrichters.
Die Leiterplatten sind das elektronische Herz des Wechselrichters.
SMA

Die Entwickler des Wechselrichterherstellers SMA haben zusammen mit ihren Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) und dem Kabelhersteller Phoenix Contact einen neuen Wechselrichter mit enormer Leistungsdichte vorgestellt. Der neue Inverter leistet 70 Kilowatt und bringt dabei ein Gewicht von nur 58,5 Kilogramm auf die Waage. „Mit 1.200 Watt pro Kilogramm übersteigt die Leistungsdichte deutlich die von am Markt verfügbaren Geräten“, betont Sebastian Franz, beim Fraunhofer ISE verantwortlich für das Team „Schaltungsentwicklung und Hardware-Design“ in der Abteilung Leistungselektronik und Netztechnologien. „Mit den erzielten Projektergebnissen werden zukünftig deutlich kompaktere und kostengünstigere Photovoltaikwechselrichter möglich sein“, beschreiben die Entwickler von SMA das Ergebnis.

Am „Heißen Kern“ angesetzt

Die gesamte Leistungselektronik inklusive Kühlung und Anschlüsse füllt dabei ein Volumen von 110 Litern. Das ist ein Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 50 Zentimetern, was für einen Wechselrichter in dieser Leistungsklasse enorm kompakt ist. Die Entwickler erreichen diese kompakte und leichte Bauform, indem sie gleich mehrere am Markt verfügbare Technologien miteinander verknüpfen. „Zentrales Element des hochintegrierten Konzepts ist der sogenannte Heiße Kern“, erklären die Entwickler am Fraunhofer ISE. Sie haben zwischen die Gleich- und Wechselstromseite, dort wo die Wandlungsverluste als Wärme auftreten, einen Kühlkörper eingesetzt. Durch die Abkopplung dieses Kühlkörpers vom Gehäuse konnten die Entwickler das maximale Temperaturniveau im gesamten Wechselrichter um 30 Prozent anheben. Denn jetzt müssen sie nicht mehr den kompletten Inverter herunterkühlen, sondern vor allem die Bereiche, in denen die Wärme auftritt und in denen die hitzeempfindlichen Bauteile sitzen. SMA hat jetzt schon angekündigt, dieses Aufbaukonzept noch in diesem Jahr in die Serienfertigung zu übernehmen.

 - Die Kühlkörper sorgen für viel Gewicht. Deshalb haben die Entwickler dort angesetzt, wo die Wärme wirklich entsteht.
Die Kühlkörper sorgen für viel Gewicht. Deshalb haben die Entwickler dort angesetzt, wo die Wärme wirklich entsteht.
Fraunhofer ISE

Die Entwickler haben den gesamten Wechselrichter in Temperaturzonen aufgeteilt, die unterschiedlich gekühlt werden. Diese unterscheiden sich nämlich hinsichtlich der maximalen Temperaturen, die in diesen Bereichen auftreten dürfen und auch hinsichtlich der IP-Schutzklasse, also der Festigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Wasser und Sonneneinstrahlung. „So lassen sich die kühleren Zonen nutzen, um kostengünstige Bauteile mit geringeren Temperaturanforderungen einzusetzen“, erklären die Forscher vom Fraunhofer ISE diesen Ansatz.

Neue Materialien eingesetzt

Zusätzlich haben die Entwickler sogenannte Sintermaterialien eingesetzt. Beim Sintern wird der Ausgangswerkstoff – der Rohling – oft unter erhöhtem Druck noch einmal erhitzt und so verdichtet. Damit werden solchen Materialien nicht nur hitzebeständiger, sondern auch leitfähiger. Sie haben aber auch bei den Leiterkarten auf bereits bestehende Standards zurückgegriffen, vor allem um Kosten zu sparen. „Der zweistufige leistungselektronische Wandler beinhaltet fünf Hochsetzsteller und eine dreiphasige Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie“, erklären die Freiburger Forscher. Zusätzlich haben sie konsequent Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) eingesetzt. Diese können höhere Taktfrequenzen erreichen, was zu erheblich geringeren Verlusten bei der Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom führt. Das wirkt sich wiederum nicht nur auf die Anforderungen zur Kühlung aus, sondern auch auf die Größe der Bauteile. Sind die Halbleiter aus Siliziumkarbid, können sie wesentlich kleiner ausfallen und dennoch effizienter sein.

Kosten senken

Damit erreichen die Entwickler im Konsortium zum einen eine höhere Leistungsdichte. Zum anderen können sie den Materialeinsatz reduzieren. Denn am Anfang der Entwicklungsarbeit stand eine Kostenanalyse der mechanischen und elektromechanischen Komponenten. Deren Kostenanteil liegt bei den derzeit am Markt erhältlichen Geräten bei bis zu 70 Prozent. Zu den mechanischen Komponenten gehören neben dem Gehäuse inklusive Stützstrukturen auch die Bauteile zur Kühlung des Wechselrichters. Die elektromechanischen Komponenten umfassen wiederum Bauteile wie Steckverbinder und Leiterkarten. Da diese Bauteile nicht nur für die Größe und das Gewicht eines Wechselrichters verantwortlich sind, sondern auch für dessen Kosten, lag es nahe, an dieser Stelle anzusetzen. „Ein Lösungsansatz zur Kostenreduktion besteht darin, die Technologien der verwendeten Komponenten aus den kleineren Leistungsklassen so zu optimieren, dass daraus Geräte mit größerer Leistung entwickelt werden können“, beschreibt Sebastian Franz, wie die Forscher an die Entwicklung des neuen Wechselrichters herangegangen sind. (Sven Ullrich)

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