SuperGrid – Hocheffiziente Leistungselektronik für die Mittelspannung

Im elektrischen Energieverteilungsnetz kommt der Leistungselektronik eine immer größere Bedeutung zu. Besonders durch den Ausbau der regenerativen Energieerzeugung – wie Photovoltaik und Windkraft – steigt die Zahl der leistungselektronischen Wandler in der Kette zwischen Erzeuger und Verbraucher. Der Einsatz von Hochvolt-Halbleiterbauelementen aus Siliciumkarbid (SiC) macht es möglich, effiziente leistungselektronische Systeme zukünftig direkt an das Mittelspannungsnetz anzubinden. Die Erhöhung der Spannungsebene der Wandler reduziert zum einen die Ströme und die damit verbundenen Kupferquerschnitte, zum anderen kann die Kopplung über einen zusätzlichen 50-Hz-Transformator entfallen.

Halbleiter aus Siliciumkarbid besitzen im Vergleich zu Silicium eine etwa dreimal so große Bandlücke. Daraus resultiert eine sehr hohe Durchschlagfeldstärke, die es ermöglicht, bei gleicher Chip-Dicke Leistungshalbleiterbauelemente mit wesentlich höheren Sperrspannungen herzustellen. Für leistungselektronische Wandler in Mittelspannungsanwendungen sind derartige Bauelemente daher prädestiniert. Mit den ersten verfügbaren Halbleiter-Prototypen werden neue leistungselektronische Lösungen für die Systemtechnik der zukünftigen Energieversorgung und -verteilung entwickelt.

Zum Einsatz kommen neuartige 10 kV-SiC-MOSFETs und intern antiparallelgeschaltete SiC-JBS-Dioden mit einem Nennstrom von jeweils 10 A. Zur Charakterisierung der MOSFETs wurde ein Teststand entwickelt, mit dem die Schaltenergien von Mittelspannungstransistoren ermittelt werden können.

Als leistungselektronischer Wandler wurde ein Hochsetzsteller entwickelt, der eine Eingangsgleichspannung von 3,5 kV auf eine Ausgangsspannung von 8,5 kV anheben kann. Die niedrigen Schaltenergien der SiC-MOSFETs ermöglichen eine sehr hohe Schaltfrequenz von 8 kHz, was etwa dem 10fachen Wert von herkömmlichen Mittelspannungsumrichtern mit Silicium-Halbleitern entspricht. Je höher die Schaltfrequenz, umso kleiner können die passiven Bauelemente dimensioniert werden, was zu einer Reduktion von Material, Volumen und Kosten führt.

Über das Projekt »SuperGrid«

Weitere Teile des SuperGrid-Projekts beschäftigen sich zum Beispiel mit »Speichertechnologien für Linear-Fresnel-Kraftwerke«. Zur Modellierung eines geeigneten Energiesystems gibt der Artikel »Energiewirtschaftliche Analyse eines zukünftigen Supergrids zwischen Nordafrika und Europa« Auskunft.