Forscher des Fraunhofer ISE haben einen kompakten und effizienten Wechselrichter entwickelt. Sie nutzen dabei Siliziumkarbid als Material für die Transistoren. Das Gerät erreicht einen Wirkungsgrad von 98,7 Prozent und hat ein Volumen von nur fünf Litern.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben einen kompakten und effizienten Wechselrichter für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) entwickelt. Das von den Freiburger Forschern vorgestellte Demonstrationsgerät hat eine Leistung von zehn Kilowatt. Er wandelt immerhin 98,7 Prozent des von der Solaranlagen erzeugten oder aus der Batterie entnommenen Gleichstroms in Wechselstrom um. Mit diesem können dann beim Stromausfall die normalen elektrischen Geräte weiter betrieben werden. Dabei hat er nur ein Volumen von fünf Litern. Zum Vergleich: Ein Würfel mit diesem Volumen hat Kantenlängen von gut 21 Zentimetern. „Insgesamt spart diese Bauweise Kosten und Material auf Systemebene“, betont Cornelius Armbruster, Entwicklungsingenieur für neue Bauelemente und hocheffiziente Umrichter am Fraunhofer ISE. „Im Vergleich zu einer herkömmlichen Taktfrequenz von 16 Kilohertz reduzieren sich im von uns entwickelten USV-Wechselrichter die Größe und der Preis der Hauptinduktivität um etwa zwei Drittel.“
Taktfrequenz erhöht
Die hohe Effizienz erreichen die Freiburger Forscher durch den Einsatz von Siliziumcarbit als Material für die Transistoren. Die Wissenschaftler nutzen dabei die guten dynamischen und statischen Eigenschaften dieses Materials. So verringert sich der Durchlasswiderstand des Transistors und der Wechselrichter kommt mit geringeren Schaltverlusten aus. Außerdem erreichen die Freiburger damit eine Taktfrequenz von 100 Kilohertz. Diese ist damit um den Faktor fünf höher als bei herkömmlichen leistungselektronischen Bauteilen aus Silizium, ohne dass die Verluste in den Halbleitern wesentlich ansteigen.
Weniger Wärme im Gehäuse
Durch die hohe Taktfrequenz und den effizienten Halbleiter wird es möglich den Wechselrichter kompakter aufzubauen als herkömmliche Geräte. Zum einen konnten die Freiburger die passiven Speicherelemente wie Drosselspulen und Kondensatoren kleiner dimensionieren, was viel Platz im Gehäuse spart. Auf Grund der geringen Verluste in den Halbleitern konnte zum anderen ein kompaktes Kühlsystem für die Transistoren eingesetzt werden. Denn die Verluste werden in der Regel als Wärme abgegeben, die sich im Gehäuse staut. Je größer diese Verluste sind, desto aufwändiger muss das Kühlsystemen ausgelegt werden.
Bis zu 40 Prozent geringere Stromkosten
Der hohe Wirkungsgrad spielt bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung eine große Rolle. Vor allem dann, wenn der Wechselrichter das Netz nicht nur bei einem Stromausfall sondern permanent aufrecht erhält. Solche sogenannten Online USV-Systeme werden oft für Serverräume eingesetzt. „Bei einer üblichen Auslastung für einen kleinen Serverraum in Höhe der halben Nennleistung ergibt sich ein jährlicher Energieverbrauch von etwa 44.000 Kilowattstunden“, rechnen die Freiburger Forscher vor. „Der Wirkungsgrad des USV-Wechselrichters erhöht den Energiebedarf weiter um die Summe der im Wechselrichter auftretenden Verluste. Dies erklärt den großen Einfluss des Wirkungsgrads des USV-Wechselrichters auf die laufenden Betriebskosten in Form von Stromkosten. Im Vergleich zu einem herkömmlichen System mit etwa 97,4 Prozent Wirkungsgrad lassen sich mit dem neu entwickelten Demonstrator mit einem Wirkungsgrad von 98,7 Prozent bis zu 40 Prozent der jährlichen Kosten einsparen.“
Die Ergebnisse der Wissenschaftler lassen sich aber auch auf andere Bereiche anwenden, in denen die leistungselektronische Energieumwandlung und das Gewicht der Wechselrichter eine Rolle spielt. Denkbar wäre der Einsatz im Bereich der Elektromobilität oder der mobilen Stromversorgung. Die Anfertigung des Demonstrationsgeräts war ein Auftrag von Rohm Semiconductor, einem Hersteller von Halbleiterbauelementen aus Siliziumkarbid mit Hauptsitz in Kyoto. Die Japaner lieferten auch die Transistoren, die die Freiburger in den Wechselrichter eingebaut haben. (Sven Ullrich)
