Forschungsprojekt GaN-HighPower

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.

Im Projekt wurde das Ziel verfolgt, einen GaN-basierten PV-Wechselrichter mit einer Nennleistung von 150 kVA zu erarbeiten. Zu den technischen Zielen gehörte es, das Gewicht der Hauptinduktivitäten durch den Einsatz höherer Schaltfrequenzen (siehe Abb. 1) deutlich zu verringern, ohne die Effizienz und Performance negativ zu beeinflussen. Hierfür wurde ein zweistufiger Ansatz gewählt, um zeitliche und technische Risiken zu minimieren.

Im ersten Schritt wurden die wesentlichen technologischen Neuerungen für die magnetische Kopplung der Hauptinduktivitäten (VAC, TH Köln) und für die Integration neuer Hochleistungs-Halbleitermodule (Infineon) untersucht. Für diesen ersten Schritt wurden noch keine GaN-Halbleiter eingesetzt, sondern stattdessen vergleichbare und besser verfügbare SiC-Halbleiter, weil für die Integration der GaN-Halbleiter in Hochleistungsmodule erst noch vorgelagerte Untersuchungen bei Infineon notwendig waren. Gleichermaßen musste erst analysiert werden, welche Schaltungstopologie für dieses Systemkonzept technisch und wirtschaftlich sinnvoll sein kann (SMA, H-BRS, IEE), wie solche Hochleistungsmodule effizient und mit hoher Frequenz angesteuert werden können (H-BRS, IEE) und wie eine Systemintegration inkl. Kühlsystem angepasst werden muss, um die angezielte Funktion sicherzustellen (IEE)

Im zweiten Schritt sollten dann die Erfahrungen aus dem SiC-Labormuster in einen GaN-Demonstrator überführt werden, für den einige der o.g. Schritte erneut durchgeführt werden mussten, jedoch mit erheblich geringerem zeitlichem Aufwand.

Der Schwerpunkt der Arbeiten am Fraunhofer IEE lag in der Konzeptionierung, dem Aufbau und den Laboruntersuchungen der Testplatinen, für die die neu entwickelten Bauteile der Partner verwendet werden sollten. Weiterhin stand das IEE den anderen Partnern zu bestimmten Themen beratend zur Seite, beteiligte sich an der Diskussion konzeptioneller Fragestellungen und fungierte als Koordinator des Konsortiums.