PV-Pack – Innovative Lösungen für neue hochintegrierte PV-Wechselrichter im Leistungsbereich von 30 bis 70 Kilowatt

Laufzeit: Januar 2014 - Dezember 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Kooperationspartner: SMA Solar Technology AG, Phoenix Contact GmbH & Co.KG, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Projektfokus:
Schnittbild durch das PV-Wechselrichtermodell
© Fraunhofer ISE

Schnittbild durch das PV-Wechselrichtermodell.

Kompakte Leiterkarte der AC Stufe
© Fraunhofer ISE

Kompakte Leiterkarte der AC Stufe.

Heißer Kern
© Fraunhofer ISE

»Heißer Kern« bestehend aus Lüfter (schwarz), Kühlkörper für Induktivitäten und die Halbleitermodule (rot) und Vor- und Nachkammer (gelb).

Der steigende Kostendruck erfordert die Entwicklung einer neuen Generation von PV-Wechselrichtern, bei der neben Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit auch die Kostenoptimierung weiter in den Vordergrund rückt. Bei der Aufschlüsselung der Kosten tritt eine Materialgruppe, die in der PV-Wechselrichterforschung bisher eher eine untergeordnete Rolle gespielt hat, besonders hervor. Es sind die mechanischen und elektromechanischen Komponenten, deren Materialkostenanteil in heutigen Geräten bis zu 70% beträgt. Gehäuse, Kühlungskomponenten und Stützstrukturen zur Befestigung der Einzelbaugruppen können der Mechanik zugeordnet werden. Der Elektromechanik gehören Komponenten wie Steckverbinder, Induktivitäten und Leiterkarten an.

Die Projektpartner haben sich zum Ziel gesetzt, die Gruppe der mechanischen und elektromechanischen Komponenten zu analysieren, innovative Lösungsansätze zu erarbeiten und diese in einem neuen Gesamtkonzept zu vereinen. Zur praxisnahen Untersuchung entwickelt das Fraunhofer ISE hierfür eine Experimentierplattform, die die innovativsten Ansätze vereint und alle wesentlichen Komponenten eines PV-Wechselrichters beinhaltet.

Die zweistufige Wechselrichterplattform besteht aus fünf MPP-Tracken und drei Neutral-Point-Clamped-Wechselrichterbrücken. Der Einsatz von SiC-MOSFETs ermöglicht einen hohen Gesamtwirkungsgrad auch bei hohen Schaltfrequenzen.  Zentrales Element zur Kühlung der Halbleiter ist der sogenannte »heiße Kern«. Um den Materialeinsatz für den Kühlkörper gering zu halten, wurde die maximale Temperatur des Kühlkörpers von gängigen 80 auf 105 °C erhöht und hochwärmeleitfähige Materialien eingesetzt. Aus unterschiedlichsten Sintermaterialien wurden durch das Fraunhofer IFAM die hierfür am besten geeigneten ausgewählt.
Um die Kosten für Leiterkarten und Leistungsverbindungen zwischen den Baugruppen reduzieren zu können, ist der 70 kW PV-Wechselrichter weitestgehend mit Bauteilen ausgestattet, deren Bauart sich nicht wesentlich von Bauteilen, die in PV-Wechselrichtern mit deutlich kleineren Leistungen verwendet werden, unterscheidet. Die entwickelte Experimentierplattform überzeugt durch eine hohe Leistungsdichte von 500 W/dm³, einem hohen Wirkungsgrad und durch den Einsatz von kostengünstigen mechanischen und elektromechanischen Komponenten.